JP6214037B2

JP6214037B2 - Photodetector

Info

Publication number: JP6214037B2
Application number: JP2013208244A
Authority: JP
Inventors: 朋宏野澤; 荒川　泰彦; 泰彦荒川; 潤舘林
Original assignee: Sharp Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Sharp Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: JP2015073023A

Description

本発明は、光検知素子に関する。 The present invention relates to a light detection element.

赤外線を検知することができる量子ドット型光検知素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。量子ドット型光検知素子では、熱放射を検知することができるため、夜間において画像を撮影することが可能になる。
図９は、従来のプレーナー型の量子ドット型光検知素子の概略断面図である。従来の量子ドット型光検知素子では、障壁層１０４に囲まれた量子ドット１１０に受光面電極１０２と裏面電極１１２とにより電圧を印加できるように構成されている。量子ドット１１０の量子準位には、受光面電極１０２により電子が供給される。そして、この電子が赤外線により障壁層１０４の伝導帯に励起され、この励起された電子が裏面電極１１２に流れることにより生じる光電流１１５を検出する。このことにより、量子ドット型光検知素子は、赤外線を検知することができる。 A quantum dot type photodetecting element capable of detecting infrared rays is known (see, for example, Patent Document 1). Since the quantum dot photodetecting element can detect thermal radiation, an image can be taken at night.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a conventional planar type quantum dot photodetecting element. The conventional quantum dot-type photodetecting element is configured such that a voltage can be applied to the quantum dots 110 surrounded by the barrier layer 104 by the light receiving surface electrode 102 and the back surface electrode 112. Electrons are supplied to the quantum level of the quantum dot 110 by the light-receiving surface electrode 102. The electrons are excited by the infrared rays into the conduction band of the barrier layer 104, and the photocurrent 115 generated when the excited electrons flow to the back electrode 112 is detected. As a result, the quantum dot photodetecting element can detect infrared rays.

特開２００９−１４７１９３号公報JP 2009-147193 A

しかし、従来の量子ドット型光検知素子では、量子ドットが障壁層中に点在しているため、受光面電極から障壁層に供給された電子が量子ドットに供給されずに裏面電極へと流れる場合がある。このような電流は、光検知素子が受光する光量に関係なく流れるため、ノイズを発生させる暗電流となる。このため、従来の量子ドット型光検知素子では、Ｓ／Ｎ比（信号量とノイズ量の比）が小さくなるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、暗電流が流れることを抑制することができ、Ｓ／Ｎ比が高い光検知素子を提供する。 However, in the conventional quantum dot-type photodetecting element, the quantum dots are scattered in the barrier layer, so that electrons supplied from the light receiving surface electrode to the barrier layer flow to the back electrode without being supplied to the quantum dots. There is a case. Since such a current flows regardless of the amount of light received by the light detection element, it becomes a dark current that generates noise. For this reason, in the conventional quantum dot type photodetecting element, there is a problem that the S / N ratio (ratio between the signal amount and the noise amount) becomes small.
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a photodetecting element that can suppress the flow of dark current and has a high S / N ratio.

本発明は、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備え、前記ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする光検知素子を提供する。 The present invention includes a semiconductor layer having a flat surface, at least one elongated nanowire extending substantially vertically from the surface of the semiconductor layer, a first electrode electrically connected to the semiconductor layer, A second electrode electrically connected to the tip, wherein the nanowire is made of a semiconductor and has a structure in which at least one quantum dot and a plurality of first barrier layers are alternately stacked in the length direction. Provided is a light detection element characterized by the above.

本発明によれば、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備えるため、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、ナノワイヤの一方の端と他方の端との間に電位差を生じさせることができる。
本発明によれば、ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有するため、プレーナー型構造に比べて、量子ドットナノワイヤは障壁層の体積に対する量子ドット体積の割合（もしくは、図１の破線Ａ−Ａのように切断した場合における、障壁層の断面積に対する量子ドットの断面積の割合）が著しく高まり、第１または第２電極からナノワイヤに供給された電子が量子ドットに供給される割合を高くすることができる。また、量子ドットが受光することにより、量子ドット中の電子は光励起され光電流を生じさせるため、第１電極と第２電極との間に流れる電流中の光電流の割合を高くすることができる。このことにより、第１電極と第２電極との間に暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
本発明によれば、ナノワイヤが量子ドットを有するため、量子ドットのサイズや材料を変更することにより、量子ドットのバンドギャップを変更することができる。このことにより、光電流を生じさせる光の波長を容易に調整することができる。
本発明によれば、量子ドットをナノワイヤ中に設けるため、量子ドットのサイズの制御性が高い。このため、光検知素子が複数の量子ドットを有する場合、複数の量子ドットを均一なサイズとすることができる。このことによって、光検知素子の吸収波長の広がりを小さくすることができ、検知したい極狭い波長域の光のみを検知することが可能になる。また、量子ドットサイズの制御性を利用し複数種類のサイズの量子ドットを形成することで、２種類以上の波長域の光を同時に検出（多波長検出）したり、波長域幅の広い光を検知することができる。 According to the present invention, a semiconductor layer having a flat surface, at least one elongated nanowire extending substantially vertically from the surface of the semiconductor layer, a first electrode electrically connected to the semiconductor layer, and A second electrode electrically connected to the tip of the nanowire, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode creates a potential difference between one end of the nanowire and the other end. Can be generated.
According to the present invention, the nanowire is made of a semiconductor and has a structure in which at least one quantum dot and a plurality of first barrier layers are alternately stacked in the length direction. Therefore, compared to the planar structure, In the quantum dot nanowire, the ratio of the quantum dot volume to the volume of the barrier layer (or the ratio of the cross-sectional area of the quantum dot to the cross-sectional area of the barrier layer when cut as indicated by the broken line AA in FIG. 1) is significantly increased. The rate at which electrons supplied to the nanowire from the first or second electrode are supplied to the quantum dots can be increased. In addition, since the electrons in the quantum dots are photoexcited when the quantum dots receive light and generate a photocurrent, the ratio of the photocurrent in the current flowing between the first electrode and the second electrode can be increased. . Thereby, it is possible to suppress a dark current from flowing between the first electrode and the second electrode, and it is possible to improve the S / N ratio of the light detection element.
According to the present invention, since the nanowire has quantum dots, the band gap of the quantum dots can be changed by changing the size or material of the quantum dots. This makes it possible to easily adjust the wavelength of light that generates a photocurrent.
According to the present invention, since the quantum dots are provided in the nanowire, the controllability of the quantum dot size is high. For this reason, when a photon sensing element has a plurality of quantum dots, a plurality of quantum dots can be made uniform. As a result, the spread of the absorption wavelength of the light detection element can be reduced, and only light in an extremely narrow wavelength range to be detected can be detected. In addition, by using quantum dot size controllability to form multiple types of quantum dots, light in two or more wavelength ranges can be detected simultaneously (multi-wavelength detection), or light with a wide wavelength range can be detected. Can be detected.

本発明の一実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the photon detection element of one Embodiment of this invention. 図１の破線Ａ−Ａにおける光検知素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the photon detection element in broken line AA of FIG. 本発明の一実施形態の光検知素子の光検知機構を説明するためのバンド図である。It is a band figure for demonstrating the light detection mechanism of the light detection element of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the photon detection element of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the photon detection element of one Embodiment of this invention. 図５の破線Ｃ−Ｃにおける光検知素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the photon detection element in broken line CC of FIG. 本発明の一実施形態の光検知素子の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the photon detection element of one Embodiment of this invention. （ａ）は製造した量子ドットナノワイヤの電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の破線で示した範囲Ｄの拡大写真である。(A) is an electron micrograph of the manufactured quantum dot nanowire, (b) is an enlarged photograph of the range D shown by the broken line of (a). 従来の量子ドット型光検知素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the conventional quantum dot type | mold photodetector.

本発明の光検知素子は、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備え、前記ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする。 The photodetector of the present invention includes a semiconductor layer having a flat surface, at least one elongated nanowire extending substantially vertically from the surface of the semiconductor layer, and a first electrode electrically connected to the semiconductor layer. A second electrode electrically connected to a tip of the nanowire, the nanowire is made of a semiconductor, and at least one quantum dot and a plurality of first barrier layers are alternately stacked in the length direction. It is characterized by having a structure.

本発明において、量子ドットとは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の直径または高さを有する半導体微粒子である。
本発明において、障壁層とは、量子ドットを構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドットの周りのポテンシャル障壁を形成する。 In the present invention, quantum dots are semiconductor fine particles having a diameter or height of 1 nm or more and 100 nm or less.
In the present invention, the barrier layer is made of a semiconductor material having a wider band gap than the semiconductor material constituting the quantum dots, and forms a potential barrier around the quantum dots.

本発明の光検知素子において、前記ナノワイヤは、前記量子ドットと第１障壁層とが積層された構造のコア領域と、前記コア領域の側面を覆う第２障壁層を有するシェル領域とを備えることが好ましい。
このような構成によれば、コア領域の側面を安定化することができ、コア領域の表面における表面再結合による電子の消失を抑制することができる。
本発明の光検知素子において、前記シェル領域は、第２障壁層を覆う第３障壁層を備え、第１障壁層および第２障壁層は、同じ材料からなり、第３障壁層は、第２障壁層の材料よりもバンドギャップの大きい材料からなることが好ましい。
シェル領域が第３障壁層を備えることにより、第２障壁層の側面における表面再結合による電子の消失を抑制することができる。また、第１障壁層および第２障壁層が同じ材料からなることにより、ナノワイヤのコア領域の結晶性を高くすることができる。さらに第３障壁層が第２障壁層の材料よりもバンドギャップの大きい材料からなることにより、第３障壁層に暗電流が流れることを抑制することができる。 In the photodetecting element of the present invention, the nanowire includes a core region having a structure in which the quantum dots and the first barrier layer are stacked, and a shell region having a second barrier layer that covers a side surface of the core region. Is preferred.
According to such a configuration, the side surface of the core region can be stabilized, and the disappearance of electrons due to surface recombination on the surface of the core region can be suppressed.
In the photodetector of the present invention, the shell region includes a third barrier layer covering the second barrier layer, the first barrier layer and the second barrier layer are made of the same material, and the third barrier layer is the second barrier layer. It is preferably made of a material having a larger band gap than the material of the barrier layer.
When the shell region includes the third barrier layer, it is possible to suppress the disappearance of electrons due to surface recombination on the side surface of the second barrier layer. In addition, since the first barrier layer and the second barrier layer are made of the same material, the crystallinity of the core region of the nanowire can be increased. Furthermore, when the third barrier layer is made of a material having a larger band gap than the material of the second barrier layer, it is possible to suppress a dark current from flowing through the third barrier layer.

本発明の光検知素子において、前記半導体層は、第１導電型の半導体材料からなり、第３障壁層は、第２導電型の半導体材料からなることが好ましい。
このような構成によれば、第３障壁層に暗電流が流れることを抑制することができる。
本発明の光検知素子において、前記コア領域の直径は、第２障壁層の厚さよりも大きいことが好ましい。
このような構成によれば、第１または第２電極からナノワイヤに供給された電子が量子ドットに供給される割合を高くすることができる。 In the photodetector of the present invention, it is preferable that the semiconductor layer is made of a first conductivity type semiconductor material and the third barrier layer is made of a second conductivity type semiconductor material.
According to such a structure, it can suppress that a dark current flows into a 3rd barrier layer.
In the photodetecting element of the present invention, it is preferable that the diameter of the core region is larger than the thickness of the second barrier layer.
According to such a structure, the ratio by which the electrons supplied to the nanowire from the first or second electrode are supplied to the quantum dots can be increased.

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.

光検知素子の構成および製造方法
図１、４、５は本実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図であり、図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける光検知素子の概略断面図である。図６は、図５の破線Ｃ−Ｃにおける光検知素子の概略断面図である。 1, 4 and 5 are schematic cross-sectional views showing the configuration of the photo-detecting element of this embodiment, and FIG. 2 is a schematic cross-section of the photo-detecting element taken along the broken line AA in FIG. FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the photodetecting element taken along broken line CC in FIG.

本実施形態の光検知素子２０は、平坦な表面を有する半導体層２と、半導体層２の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤ４と、半導体層２に電気的に接続した第１電極１０と、ナノワイヤ４の先端に電気的に接続した第２電極１２とを備え、ナノワイヤ４は、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドット５と複数の第１障壁層６とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする。
また、本実施形態の光検知素子２０は、マスク層１３、第２障壁層１５、第３障壁層１６、絶縁層１４などを備えることができる。
以下、本実施形態の光検知素子２０について説明する。 The photodetecting element 20 of the present embodiment is electrically connected to the semiconductor layer 2, the semiconductor layer 2 having a flat surface, at least one elongated nanowire 4 extending substantially perpendicularly from the surface of the semiconductor layer 2, and the semiconductor layer 2. The first electrode 10 and the second electrode 12 electrically connected to the tip of the nanowire 4 are provided. The nanowire 4 is made of a semiconductor, and includes at least one quantum dot 5 and a plurality of first barrier layers 6. It has a structure in which the layers are alternately stacked in the length direction.
Further, the photodetecting element 20 of the present embodiment can include a mask layer 13, a second barrier layer 15, a third barrier layer 16, an insulating layer 14, and the like.
Hereinafter, the light detection element 20 of the present embodiment will be described.

１．光検知素子
光検知素子２０は、ナノワイヤ４中の量子ドット５が受光する光を検知する素子である。光検知素子２０は、撮像素子であってもよく、受光センサであってもよい。また、光検知素子２０が検知する光は、赤外線であってもよく、可視光であってもよい。 1. Photodetecting Element The photodetecting element 20 is an element that detects light received by the quantum dots 5 in the nanowire 4. The light detection element 20 may be an imaging element or a light receiving sensor. Further, the light detected by the light detection element 20 may be infrared light or visible light.

２．半導体層、ナノワイヤ、量子ドット、障壁層
半導体層２は、半導体からなる層であり、半導体基板であってもよく、基板上に形成された薄膜または厚膜であってもよい。半導体層２は、その表面上からナノワイヤ４が伸びるように設けられる。このことにより、半導体層２を介してナノワイヤ４に電圧を印加することが可能になる。
また、半導体層２は、ナノワイヤ４と同じ結晶構造または近い結晶構造を有することができる。このことにより半導体層２の表面上にナノワイヤ４を成長させることが可能になる。また、半導体層２は単結晶構造を有してもよい。また、半導体層２の材料は、ｎ型半導体またはｐ型半導体とすることができる。このことにより、半導体層２の導電率を高くすることができ、効率よくナノワイヤ４に電圧を印加することが可能になる。 2. Semiconductor Layer, Nanowire, Quantum Dot, Barrier Layer The semiconductor layer 2 is a layer made of a semiconductor, may be a semiconductor substrate, and may be a thin film or a thick film formed on the substrate. The semiconductor layer 2 is provided so that the nanowires 4 extend from the surface thereof. This makes it possible to apply a voltage to the nanowire 4 via the semiconductor layer 2.
Further, the semiconductor layer 2 can have the same crystal structure as the nanowire 4 or a close crystal structure. This makes it possible to grow nanowires 4 on the surface of the semiconductor layer 2. The semiconductor layer 2 may have a single crystal structure. The material of the semiconductor layer 2 can be an n-type semiconductor or a p-type semiconductor. As a result, the conductivity of the semiconductor layer 2 can be increased, and a voltage can be efficiently applied to the nanowire 4.

ナノワイヤ４は、半導体からなり、半導体層２の表面上から実質的に垂直方向に伸びる。このことにより、ナノワイヤ４の一方の端と他方の端との間に電圧を印加することが可能になる。
ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層された柱状構造を有してもよい。また、ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層されたコア領域１７と、コア領域１７の側面を覆うように設けられたシェル領域１８とからなってもよい。なお、本明細書では、ナノワイヤ４がシェル領域１８を有さない場合でも、量子ドット５と第１障壁層６とが積層された柱状構造をコア領域１７という。
ナノワイヤ４は、例えば、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の直径を有することができる。また、ナノワイヤ４のコア領域１７は、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下の直径を有することができる。
また、光検知素子２０は、半導体層２の表面から伸びる複数のナノワイヤ４を備えてもよい。このことにより、光検知素子２０に含まれる量子ドット５の数を増やすことができ、光検知素子２０の感度を高くすることができる。特に、マスク層の開口部にナノワイヤ４のコア領域１７を選択的に形成する光検知素子２０では、マスク層の開口部の面内密度や直径等を制御可能であるため、ナノワイヤ４の面内密度を非常に精度良く制御できる。例えば、ナノワイヤ４は、半導体層２上に４本／μｍ²以上１０００本／μｍ²以下の面内密度で設けることが好ましく、１６本／μｍ²以上１００本／μｍ²以下の面内密度で設けることがさらに好ましい。
また、半導体層２の表面上に複数のナノワイヤ４を設ける場合、複数のナノワイヤ４の直径は同じであってもよく、異なってもよい。 The nanowire 4 is made of a semiconductor and extends substantially vertically from the surface of the semiconductor layer 2. This makes it possible to apply a voltage between one end of the nanowire 4 and the other end.
The nanowire 4 may have a columnar structure in which the quantum dots 5 and the first barrier layer 6 are stacked. Further, the nanowire 4 may include a core region 17 in which the quantum dots 5 and the first barrier layer 6 are stacked, and a shell region 18 provided so as to cover the side surface of the core region 17. In this specification, even when the nanowire 4 does not have the shell region 18, the columnar structure in which the quantum dots 5 and the first barrier layer 6 are stacked is referred to as the core region 17.
The nanowire 4 can have a diameter of 5 nm or more and 200 nm or less, for example. The core region 17 of the nanowire 4 can have a diameter of, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 5 nm to 60 nm.
In addition, the light detection element 20 may include a plurality of nanowires 4 extending from the surface of the semiconductor layer 2. Accordingly, the number of quantum dots 5 included in the light detection element 20 can be increased, and the sensitivity of the light detection element 20 can be increased. In particular, in the photodetector 20 that selectively forms the core region 17 of the nanowire 4 in the opening of the mask layer, the in-plane density and diameter of the opening of the mask layer can be controlled. The density can be controlled very accurately. For example, the nanowire 4 is preferably provided on the semiconductor layer 2 with an in-plane density of 4 / μm ² or more and 1000 / μm ² or less, and with an in-plane density of 16 / μm ² or more and 100 / μm ² or less. More preferably, it is provided.
Moreover, when providing the several nanowire 4 on the surface of the semiconductor layer 2, the diameter of the several nanowire 4 may be the same and may differ.

ナノワイヤ４は、少なくとも１つの量子ドット５と複数の第１障壁層６とが交互に積層された構造（コア領域）を有する。また、量子ドット５は２つの第１障壁層６に挟まれるように設けられる。また、量子ドット５を構成する材料は、第１障壁層６を構成する材料よりも狭いバンドギャップを有する。
このような構成によると、ナノワイヤ４中の量子ドット５を設けた部分を量子閉じ込め構造とすることができる。また、量子ドット５中の電子を光学遷移（バンド間遷移またはサブバンド間遷移）させることにより、ナノワイヤ４に光電流を流すことが可能になり、この光電流を検出することにより、光検知素子２０が受光した光を検知することが可能になる。
また、量子ドット５の材料は、ｉ型半導体とすることができる。このことにより、ナノワイヤ４にノイズとなる暗電流が流れることを抑制することができる。 The nanowire 4 has a structure (core region) in which at least one quantum dot 5 and a plurality of first barrier layers 6 are alternately stacked. The quantum dots 5 are provided so as to be sandwiched between the two first barrier layers 6. The material constituting the quantum dots 5 has a narrower band gap than the material constituting the first barrier layer 6.
According to such a structure, the part provided with the quantum dot 5 in the nanowire 4 can be made into a quantum confinement structure. Further, it is possible to cause a photocurrent to flow through the nanowire 4 by optical transition (interband transition or intersubband transition) of the electrons in the quantum dots 5, and by detecting this photocurrent, a photodetecting element It becomes possible to detect the light received by 20.
The material of the quantum dots 5 can be an i-type semiconductor. As a result, it is possible to suppress a dark current that becomes noise from flowing through the nanowire 4.

図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の光検知素子２０の光検知機構を説明するためのバンド図である。これらのバンド図は、第１電極１０と第２電極１２との間に電圧を印加した場合における図１の一点鎖線Ｂ−Ｂの一部におけるバンド図である。量子ドット５は、ナノワイヤ４に量子的に閉じ込められ、伝導帯側の量子準位と価電子帯側の量子準位とを有する。また、第１障壁層６の伝導帯の下端のエネルギー準位および価電子帯の上端のエネルギー準位は、印加電圧により傾斜している。
図３（ａ）に示した第１の光検知機構では、第１電極１０または第２電極１２から第１障壁層６の伝導帯に電子が供給され、この電子は、第１障壁層６の伝導帯を流れ、量子ドット５の伝導帯側の量子準位に供給される。量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子は、量子準位と第１障壁層６の伝導帯下端よりも上の準位とのエネルギー差に対応するエネルギーの光を受光すると、第１障壁層６の伝導帯に光学遷移（サブバンド間遷移）し、第１電極１０または第２電極１２へ光電流が流れる。この光電流を検出することにより、吸収した光を検知することができる。
第１の光検知機構により光を検知する場合、検知したい光のエネルギーと、量子閉じ込め構造により吸収可能なエネルギーとが実質的に同じになるように第１障壁層６の材料、量子ドット５の材料、ナノワイヤ４（量子ドット５）の直径ｄ１、量子ドットの厚さｄ４、ｄ５、ｄ６を設定することができる。 FIGS. 3A to 3C are band diagrams for explaining the light detection mechanism of the light detection element 20 of the present embodiment. These band diagrams are band diagrams in a part of the alternate long and short dash line BB in FIG. 1 when a voltage is applied between the first electrode 10 and the second electrode 12. The quantum dot 5 is quantum confined in the nanowire 4 and has a quantum level on the conduction band side and a quantum level on the valence band side. The energy level at the lower end of the conduction band of the first barrier layer 6 and the energy level at the upper end of the valence band are inclined by the applied voltage.
In the first light detection mechanism shown in FIG. 3A, electrons are supplied from the first electrode 10 or the second electrode 12 to the conduction band of the first barrier layer 6. It flows through the conduction band and is supplied to the quantum level on the conduction band side of the quantum dot 5. When electrons at the quantum level on the conduction band side of the quantum dot 5 receive light having energy corresponding to the energy difference between the quantum level and the level above the lower end of the conduction band of the first barrier layer 6, An optical transition (intersubband transition) occurs in the conduction band of the barrier layer 6, and a photocurrent flows to the first electrode 10 or the second electrode 12. By detecting this photocurrent, the absorbed light can be detected.
When light is detected by the first light detection mechanism, the material of the first barrier layer 6 and the quantum dots 5 are set so that the energy of the light to be detected is substantially the same as the energy that can be absorbed by the quantum confinement structure. The material, the diameter d1 of the nanowire 4 (quantum dot 5), and the quantum dot thicknesses d4, d5, and d6 can be set.

図３（ｂ）に示した第２の光検知機構では、量子ドット５が、量子ドット５のバンドギャップ（量子ドット５の伝導帯側の量子準位と価電子帯側の量子準位とのエネルギー差）に対応するエネルギーの光を受光すると、価電子帯側の量子準位の電子が伝導帯側の量子準位に光学遷移する（バンド間遷移）。この伝導帯側の量子準位の電子を、トンネル電流または熱励起などにより第１障壁層６の伝導帯へと遷移させると、第１電極１０と第２電極１２との間に印加した電圧により光電流が流れる。この光電流を検出することにより、量子ドット５のバンドギャップに対応するエネルギーの光を検知することができる。
なお、第１電極１０と第２電極１２との間に印加する電圧を大きくすることにより、量子ドット５の伝導帯側の量子準位と第１障壁層６の伝導帯との間の三角ポテンシャル障壁の障壁幅を狭くすることができ、量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子をトンネル電流により第１障壁層６の伝導帯へ遷移させることができる。 In the second light detection mechanism shown in FIG. 3B, the quantum dot 5 has a band gap between the quantum dot 5 (the quantum level on the conduction band side of the quantum dot 5 and the quantum level on the valence band side). When light having energy corresponding to (energy difference) is received, electrons in the quantum level on the valence band side optically transition to the quantum level on the conduction band side (interband transition). When the electrons of the quantum level on the conduction band side are shifted to the conduction band of the first barrier layer 6 by tunnel current or thermal excitation, the voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 12 is changed. A photocurrent flows. By detecting this photocurrent, light having energy corresponding to the band gap of the quantum dots 5 can be detected.
Note that by increasing the voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 12, the triangular potential between the quantum level on the conduction band side of the quantum dots 5 and the conduction band of the first barrier layer 6 is increased. The barrier width of the barrier can be narrowed, and the electrons at the quantum level on the conduction band side of the quantum dots 5 can be transitioned to the conduction band of the first barrier layer 6 by the tunnel current.

図３（ｃ）に示した第３の光検知機構では、量子ドット５に量子ドット５のバンドギャップに対応するエネルギーの光（キャリア供給励起光）を照射し、量子ドット５の価電子帯側の量子準位の電子を伝導帯側の量子準位に光学遷移（バンド間遷移）させる。量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子は、量子準位と第１障壁層６の伝導帯下端よりも上の準位とのエネルギー差に対応するエネルギーの光を受光すると、第１障壁層６の伝導帯に光学遷移（サブバンド間遷移）し、印加電圧により第１電極１０または第２電極１２へ光電流が流れる。この光電流を検出することにより、吸収した光を検知することができる。
第３の光検知機構により光を検知する場合、量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子が、トンネル電流により第１障壁層６の伝導帯へ遷移しないように第１および第２電極１０、１２に印加する電圧を調整する。
なお、第１〜第３の光検知機構において、バンド間遷移の光吸収波長域と、サブバンド間遷移の光吸収波長域は、重複しないことが好ましい。このことにより、バンド間遷移の光吸収波長域の光およびサブバンド間遷移の光吸収波長域の光のうち、どちらか一方を検知すること又はこの両方を同時に検知することが可能になる。バンド間遷移の光吸収波長域の光と、サブバンド間遷移の光吸収波長域の光を同時に検出するためには、トンネル電流が生じない電界下（比較的低い電界下）において、電子がバンド間遷移しさらにこの電子がサブバンド間遷移する２段階遷移により生じる光吸収を検知すればよい。 In the third light detection mechanism shown in FIG. 3C, the quantum dot 5 is irradiated with light having energy corresponding to the band gap of the quantum dot 5 (carrier supply excitation light), and the valence band side of the quantum dot 5. The optical transition (interband transition) of the electrons in the quantum level to the quantum level on the conduction band side. When electrons at the quantum level on the conduction band side of the quantum dot 5 receive light having energy corresponding to the energy difference between the quantum level and the level above the lower end of the conduction band of the first barrier layer 6, An optical transition (intersubband transition) occurs in the conduction band of the barrier layer 6, and a photocurrent flows to the first electrode 10 or the second electrode 12 by the applied voltage. By detecting this photocurrent, the absorbed light can be detected.
When light is detected by the third light detection mechanism, the first and second electrodes are arranged so that the electrons at the quantum level on the conduction band side of the quantum dots 5 do not transition to the conduction band of the first barrier layer 6 due to the tunnel current. The voltage applied to 10 and 12 is adjusted.
In the first to third light detection mechanisms, it is preferable that the light absorption wavelength region for interband transition and the light absorption wavelength region for intersubband transition do not overlap. This makes it possible to detect either one or both of light in the light absorption wavelength region of interband transition and light in the light absorption wavelength region of intersubband transition. In order to simultaneously detect light in the light absorption wavelength region of interband transition and light absorption wavelength region of intersubband transition, electrons are banded under an electric field where no tunnel current occurs (under a relatively low electric field). What is necessary is just to detect the light absorption which arises by the two-step transition which changes between and this electron changes between subbands.

ナノワイヤ４は複数の量子ドット５を有してもよい。ナノワイヤ４は、例えば、図４に示した光検知素子２０のように、複数の量子ドット５を有することができる。
ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有することにより、光検知素子２０に含まれる量子ドット５の数を増やすことができ、光検知素子２０の感度を高くすることができる。
ナノワイヤ４が有する量子ドット５の数は、１以上１０以下であることが好ましい。このことにより、量子ドット５から第１障壁層６の伝導帯に光励起された電子が、他の量子ドット５に再び落ち込むことを抑制することができ、光電流が低下することを抑制することができる。
ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有する場合、各量子ドット５の間には第１障壁層６を設ける。このことにより、量子ドット５内の量子準位をその両側の第１障壁層により閉じ込めることができる。
また、ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有する場合、複数の量子ドット５の伝導帯側の量子準位は中間エネルギーバンドを形成してもよい。 The nanowire 4 may have a plurality of quantum dots 5. The nanowire 4 can have a plurality of quantum dots 5, for example, like the photodetecting element 20 shown in FIG. 4.
When the nanowire 4 has the plurality of quantum dots 5, the number of quantum dots 5 included in the light detection element 20 can be increased, and the sensitivity of the light detection element 20 can be increased.
The number of quantum dots 5 included in the nanowire 4 is preferably 1 or more and 10 or less. As a result, the electrons photoexcited from the quantum dots 5 to the conduction band of the first barrier layer 6 can be prevented from falling again into the other quantum dots 5, and the photocurrent can be prevented from decreasing. it can.
When the nanowire 4 has a plurality of quantum dots 5, a first barrier layer 6 is provided between the quantum dots 5. Thereby, the quantum level in the quantum dot 5 can be confined by the first barrier layers on both sides thereof.
Further, when the nanowire 4 has a plurality of quantum dots 5, the quantum levels on the conduction band side of the plurality of quantum dots 5 may form an intermediate energy band.

量子ドット５は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さ、さらに好ましくは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さを有することができる。このような構成とすると、量子ドット５の量子準位を量子ドットと障壁層から形成される閉じ込めポテンシャル内に閉じ込めることができる。なお、量子ドット５の伝導帯側の量子準位と価電子帯側の量子準位のエネルギー準位は、量子ドット５の直径ｄ１または量子ドット５の厚さｄ４、ｄ５、ｄ６により変化するため、光検知素子２０の検知対象の光の波長域に応じて量子ドット５の直径ｄ１または量子ドット５の厚さを調整することができる。量子ドット５のサイズは、例えば、直径４０ｎｍ、厚さ７ｎｍとすることができる。
ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有する場合、各量子ドット５の厚さｄ４、ｄ５、ｄ６は、同じであってもよく、異なってもよい。各量子ドット５の厚さを同じとすることで所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を狭くすることができる。また、各量子ドット５の厚さを異なる厚さとすることにより、所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を広げることができる。
量子ドット５の直径（すなわちナノワイヤ４のコア領域の直径）は光検知素子２０面内において同一の直径であっても良く、異なっても良い。各ナノワイヤ４の直径を同じとすることで所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を狭くすることができ、異なる直径とすることにより、所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を広げることができる。
量子ドット５の直径が光検知素子２０面内で異なる場合、光検知素子２０を複数分割し、分割された領域ごとに量子ドット５の直径が異なっても良い。分割された領域ごとに電極を別々にすることで、それぞれの領域ごとに吸収波長帯域を変えることができ、多波長を同時に光検知できる。 The quantum dots 5 can have a thickness of 1 nm to 100 nm, more preferably a thickness of 1 nm to 40 nm. With such a configuration, the quantum level of the quantum dot 5 can be confined within a confinement potential formed from the quantum dot and the barrier layer. The energy level of the quantum level on the conduction band side and the quantum level on the valence band side of the quantum dot 5 changes depending on the diameter d1 of the quantum dot 5 or the thickness d4, d5, d6 of the quantum dot 5. The diameter d1 of the quantum dots 5 or the thickness of the quantum dots 5 can be adjusted according to the wavelength range of the light to be detected by the light detection element 20. The size of the quantum dots 5 can be, for example, 40 nm in diameter and 7 nm in thickness.
When the nanowire 4 has a plurality of quantum dots 5, the thicknesses d4, d5, and d6 of each quantum dot 5 may be the same or different. By making the thickness of each quantum dot 5 the same, the light absorption band of the quantum dot 5 can be narrowed in accordance with a desired detection wavelength region. Moreover, the light absorption band of the quantum dot 5 can be extended according to a desired detection wavelength range by making the thickness of each quantum dot 5 into a different thickness.
The diameter of the quantum dots 5 (that is, the diameter of the core region of the nanowire 4) may be the same diameter or may be different within the surface of the photodetecting element 20. By making the diameter of each nanowire 4 the same, the light absorption band of the quantum dot 5 can be narrowed according to the desired detection wavelength range, and by setting the diameter different, the quantum dot can be adjusted according to the desired detection wavelength range. 5 light absorption band can be widened.
When the diameter of the quantum dot 5 is different within the surface of the light detection element 20, the light detection element 20 may be divided into a plurality of parts, and the diameter of the quantum dot 5 may be different for each divided region. By separating the electrodes for each of the divided regions, the absorption wavelength band can be changed for each region, and multiple wavelengths can be detected simultaneously.

第１障壁層６の材料は、ｉ型半導体であってもよい。このことにより、コア領域１７の結晶性を高くすることができ、暗電流が流れることを抑制することができる。
また、半導体層２の材料がｎ型半導体である場合、第１障壁層６または／および量子ドット５の材料は、ｎ型半導体であってもよい。このことにより、量子ドット５に電子が供給されやすくなり、光検知素子２０の性能を向上させることができる。また、ｉ型（もしくはｐ型）シェル領域１８を設けた場合、ｎ型コア領域１７のフェルミ準位をｉ型（もしくはｐ型）シェル領域１８のフェルミ準位に比べて低くすることができる。このことにより、シェル領域１８に暗電流が流れにくくなり、シェル領域１８に起因した暗電流を大きく低減することができる。第１障壁層６のドーピング濃度は、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８のドーピング濃度よりも低いことが好ましい。このことにより、過剰なドーピングに伴う暗電流の増大やドーピングに伴う第１障壁層６の結晶性や量子ドット５の結晶性の低下やドーピングに伴う暗電流の増大を抑制することができる。第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は、最大でも量子ドット密度の２倍とすることが好ましい。これは１個の量子ドット中の基底量子準位につき最大でも２個（スピンを考慮）までしか電子が存在できないため、量子ドット密度の２倍以上のドーピングを行っても量子ドットへのキャリア供給に寄与できないためである。さらにドーピングが結晶性の低下をもたらすことを考慮すれば、第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は量子ドット密度と同じにすることが好ましい。
一方で、第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度が量子ドット密度の１０％程度あれば、光検知器としての性能向上に寄与できる。
従って、好ましい第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は、
量子ドット密度×０．１≦ドーピング濃度≦量子ドット密度×２
さらに好ましい第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は、
量子ドット密度×０．１≦ドーピング濃度≦量子ドット密度
である。 The material of the first barrier layer 6 may be an i-type semiconductor. As a result, the crystallinity of the core region 17 can be increased, and the flow of dark current can be suppressed.
Further, when the material of the semiconductor layer 2 is an n-type semiconductor, the material of the first barrier layer 6 and / or the quantum dots 5 may be an n-type semiconductor. As a result, electrons are easily supplied to the quantum dots 5 and the performance of the light detection element 20 can be improved. Further, when the i-type (or p-type) shell region 18 is provided, the Fermi level of the n-type core region 17 can be made lower than the Fermi level of the i-type (or p-type) shell region 18. This makes it difficult for dark current to flow through the shell region 18, and the dark current due to the shell region 18 can be greatly reduced. The doping concentration of the first barrier layer 6 is preferably lower than the doping concentration of the first contact layer 7 and the second contact layer 8. This can suppress an increase in dark current due to excessive doping, a decrease in crystallinity of the first barrier layer 6 due to doping, a decrease in crystallinity of the quantum dots 5, and an increase in dark current due to doping. The doping concentration of the first barrier layer 6 and / or the quantum dots 5 is preferably at most twice the quantum dot density. This is because electrons can exist only up to two (in consideration of spin) for the ground quantum level in one quantum dot, so even if doping more than twice the quantum dot density is performed, carriers are supplied to the quantum dot It is because it cannot contribute to. Furthermore, considering that doping causes a decrease in crystallinity, the doping concentration of the first barrier layer 6 and / or the quantum dots 5 is preferably the same as the quantum dot density.
On the other hand, if the doping concentration of the first barrier layer 6 and / or the quantum dots 5 is about 10% of the quantum dot density, it can contribute to the performance improvement as a photodetector.
Therefore, the preferred doping concentration of the first barrier layer 6 and / or the quantum dots 5 is
Quantum dot density × 0.1 ≦ doping concentration ≦ quantum dot density × 2
Further preferable doping concentration of the first barrier layer 6 and / or the quantum dot 5 is
Quantum dot density × 0.1 ≦ doping concentration ≦ quantum dot density.

ナノワイヤ４は、最も下側の第１障壁層６と半導体層２との間に第１コンタクト層７を有することができる。また、ナノワイヤ４は、最も上側の第１障壁層６と第２電極１２との間に第２コンタクト層８を有することができる。第１および第２コンタクト層７、８の材料は、半導体層２がｎ型半導体からなる場合ｎ型半導体とすることができ、半導体層２がｐ型半導体からなる場合、ｐ型半導体とすることができる。第１または第２コンタクト層７，８を設けることにより、ナノワイヤ４に効率よく光電流を流すことができる。
なお、第１コンタクト層７および第２コンタクト層８は、省略することができる。 The nanowire 4 may have a first contact layer 7 between the lowermost first barrier layer 6 and the semiconductor layer 2. Further, the nanowire 4 can have a second contact layer 8 between the uppermost first barrier layer 6 and the second electrode 12. The material of the first and second contact layers 7 and 8 can be an n-type semiconductor when the semiconductor layer 2 is made of an n-type semiconductor, and can be a p-type semiconductor when the semiconductor layer 2 is made of a p-type semiconductor. Can do. By providing the first or second contact layer 7 or 8, a photocurrent can be efficiently passed through the nanowire 4.
The first contact layer 7 and the second contact layer 8 can be omitted.

半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料（第１障壁層６、量子ドット５、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８、第２障壁層１５または第３障壁層１６の材料）は、III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、IV族半導体などを用いることができる。また、半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料は、混晶半導体材料であってもよい。例えば、半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料には、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＧｅなど、これらの半導体の混晶半導体材料、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＡｓ、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＳｂ_zＡｓ_1-z、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰまたはＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮなどを用いることができる。特に、半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料には、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰまたはこれらの半導体の混晶半導体材料であることが好ましい。このことにより、ナノワイヤ４の結晶性を高くすることができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。また、第２障壁層１５または第３障壁層１６の材料のみ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰまたはこれらの半導体の混晶半導体材料としても、表面再結合による電子の消失を抑制する効果は大きい。
量子ドット５の材料または第１障壁層６の材料を混晶半導体とした場合、混晶半導体の元素割合を適宜変更することにより、量子ドット５の量子エネルギー準位を変更したり、第１障壁層６のバンドギャップを変えたり、光検出波長域を変えたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット５と第１障壁層６の価電子帯上端のエネルギー差）をゼロにしたりすることができる。 The material of the semiconductor layer 2 or the material of the nanowire 4 (the material of the first barrier layer 6, quantum dots 5, first contact layer 7, second contact layer 8, second barrier layer 15 or third barrier layer 16) is III. A group V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, a group IV semiconductor, or the like can be used. The material of the semiconductor layer 2 or the material of the nanowire 4 may be a mixed crystal semiconductor material. For example, the material of the semiconductor layer 2 or the material of the nanowire 4 includes InAs, GaAs, AlAs, InSb, GaSb, AlSb, InP, GaP, AlP, InN, GaN, AlN, Si, SiGe, or a mixed crystal of these semiconductors. using semiconductor _{_{_{materials, Al x Ga y In 1-}}} xy As, and _{_{_{Al x Ga y In 1-xy}}} Sb z As 1-z, Al x Ga y In 1-xy P or _{_{_{Al x Ga y In 1-xy}}} N be able to. In particular, the material of the semiconductor layer 2 or the material of the nanowire 4 is preferably InP, GaP, AlP, or a mixed crystal semiconductor material of these semiconductors. Thereby, the crystallinity of the nanowire 4 can be increased, and the disappearance of electrons due to surface recombination can be suppressed. In addition, even when only the material of the second barrier layer 15 or the third barrier layer 16, InP, GaP, AlP, or a mixed crystal semiconductor material of these semiconductors, the effect of suppressing the disappearance of electrons due to surface recombination is great.
When the material of the quantum dots 5 or the material of the first barrier layer 6 is a mixed crystal semiconductor, the quantum energy level of the quantum dots 5 can be changed or the first barrier can be changed by appropriately changing the element ratio of the mixed crystal semiconductor. The band gap of the layer 6 can be changed, the photodetection wavelength range can be changed, and the valence band energy offset (energy difference between the valence band upper ends of the quantum dots 5 and the first barrier layer 6) can be made zero. .

半導体層２、第１障壁層６、量子ドット５、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８の材料は、同じ結晶構造又は近い結晶構造を有する材料とすることができる。このことにより、半導体層２上に結晶欠陥の少ないナノワイヤ４を形成することができる。
例えば、半導体層２にｎ型ＧａＡｓ基板を用いる場合、第１コンタクト層７の材料はｎ型ＧａＡｓとすることができ、第１障壁層６の材料はｉ型ＧａＡｓとすることができ、量子ドット５の材料はｉ型ＩｎＧａＡｓまたはｉ型ＩｎＡｓとすることができ、第２コンタクト層８の材料はｎ型ＧａＡｓとすることができる。 The material of the semiconductor layer 2, the first barrier layer 6, the quantum dots 5, the first contact layer 7, and the second contact layer 8 can be a material having the same crystal structure or a close crystal structure. As a result, the nanowire 4 with few crystal defects can be formed on the semiconductor layer 2.
For example, when an n-type GaAs substrate is used for the semiconductor layer 2, the material of the first contact layer 7 can be n-type GaAs, the material of the first barrier layer 6 can be i-type GaAs, and quantum dots The material 5 can be i-type InGaAs or i-type InAs, and the material of the second contact layer 8 can be n-type GaAs.

ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層されたコア領域１７のみからなってもよい。このような構造とすることにより、第１または第２電極１０、１２からナノワイヤ４に供給された電子が量子ドット５に供給される割合を高くすることができる。このことにより、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
なお、ナノワイヤ４がシェル領域１８を有さない場合、コア領域１７の側壁を覆う保護膜を設けることができる。このことにより、ナノワイヤ４のコア領域１７を保護膜により保護することができる。なお、保護膜の材料は、絶縁性材料とすることができる。また、ナノワイヤ４がシェル構造１８を有さない場合、コア領域１７の表面はチオール処理などによりパッシベーション処理されることが好ましい。このことにより、コア領域１７の表面の結晶欠陥やダングリングボンドを減少させることができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。 The nanowire 4 may consist only of the core region 17 in which the quantum dots 5 and the first barrier layer 6 are stacked. By setting it as such a structure, the ratio by which the electron supplied to the nanowire 4 from the 1st or 2nd electrode 10 and 12 is supplied to the quantum dot 5 can be made high. Thereby, the S / N ratio of the light detection element 20 can be increased.
When the nanowire 4 does not have the shell region 18, a protective film that covers the side wall of the core region 17 can be provided. Thereby, the core region 17 of the nanowire 4 can be protected by the protective film. Note that the material of the protective film can be an insulating material. Moreover, when the nanowire 4 does not have the shell structure 18, it is preferable that the surface of the core region 17 is subjected to a passivation treatment by a thiol treatment or the like. As a result, crystal defects and dangling bonds on the surface of the core region 17 can be reduced, and loss of electrons due to surface recombination can be suppressed.

ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層されたコア領域１７と、コア領域１７の側面を覆うように設けられたシェル領域１８とからなってもよい。シェル領域１８の材料は、コア領域１７の材料と結晶構造が同じ材料又は近い材料とすることができる。このことにより、コア領域１７の表面における表面再結合により電子が消失することを抑制することができる。
シェル領域１８は、図１、２、４に示した光検知素子２０のようにコア領域１７の側面を覆う第２障壁層１５から構成されてもよい。このことにより、コア領域１７の表面における表面再結合により電子が消失することを抑制することができる。また、ナノワイヤ４がシェル領域１８を有し、シェル領域１８がバンドギャップの小さい第２障壁層１５とバンドギャップの大きい第３障壁層１６を有する場合、第１電極１０と第２電極１２との間に量子ドット５を経由せずに暗電流がシェル領域１８、特にバンドギャップの小さい第２障壁層１５を流れ得るが、第２障壁層１５の厚さを薄くすることにより、暗電流の電流量を少なくすることができる。 The nanowire 4 may include a core region 17 in which the quantum dots 5 and the first barrier layer 6 are stacked, and a shell region 18 provided so as to cover the side surface of the core region 17. The material of the shell region 18 may be a material having a crystal structure that is the same as or close to that of the material of the core region 17. This can suppress the disappearance of electrons due to surface recombination on the surface of the core region 17.
The shell region 18 may be composed of a second barrier layer 15 that covers the side surface of the core region 17 like the photodetecting element 20 shown in FIGS. This can suppress the disappearance of electrons due to surface recombination on the surface of the core region 17. When the nanowire 4 has a shell region 18 and the shell region 18 has a second barrier layer 15 having a small band gap and a third barrier layer 16 having a large band gap, the first electrode 10 and the second electrode 12 A dark current can flow through the shell region 18, particularly the second barrier layer 15 with a small band gap, without passing through the quantum dots 5. However, by reducing the thickness of the second barrier layer 15, the dark current is reduced. The amount can be reduced.

量子ドット５の直径ｄ１（コア領域１７の直径）は、第２障壁層１５の厚さｄ２よりも大きいことが好ましい。このような構成によると、図２に示したようなナノワイヤ４の断面において、量子ドット５の面積を広くすることができ、量子ドット５を経由せずに第２障壁層１５を流れる電流量を小さくすることができる。このことにより、暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を高くすることができる。例えば、量子ドット５の直径ｄ１は、４０ｎｍとすることができ、第２障壁層１５の厚さｄ２は、２０ｎｍとすることができる。 The diameter d1 of the quantum dots 5 (the diameter of the core region 17) is preferably larger than the thickness d2 of the second barrier layer 15. According to such a configuration, the area of the quantum dots 5 can be increased in the cross section of the nanowire 4 as shown in FIG. 2, and the amount of current flowing through the second barrier layer 15 without passing through the quantum dots 5 can be reduced. Can be small. This can suppress the flow of dark current, and can increase the S / N ratio of the light detection element 20. For example, the diameter d1 of the quantum dots 5 can be 40 nm, and the thickness d2 of the second barrier layer 15 can be 20 nm.

第２障壁層１５の材料は、第１障壁層６の材料と同じであってもよい。このことにより、第２障壁層１５によりコア領域１７の表面を安定化することができる。また、コア領域１７の結晶性を向上させることができ、光検知素子２０の性能を向上させることができる。
また、第２障壁層１５の材料は、ｉ型半導体であってもよい。このことにより、量子ドット５や第１障壁層６に不純物が混入し結晶性が低下することを抑制することができ、光検知素子２０の性能が低下することを抑制することができる。
また、第２障壁層１５の材料は、半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８と逆の導電型の半導体であってもよい。例えば、半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８がｎ型半導体であり、コア領域１７の量子ドット５や第１障壁層６がｉ型半導体、第２障壁層１５がｐ型半導体である場合、第２障壁層１５のポテンシャルが半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８、コア領域１７に対して持ちあがることで、第２障壁層１５に暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を高くすることができる。半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８がｐ型半導体であれば、第２障壁層１５をｎ型半導体とすることができる。 The material of the second barrier layer 15 may be the same as the material of the first barrier layer 6. As a result, the surface of the core region 17 can be stabilized by the second barrier layer 15. Further, the crystallinity of the core region 17 can be improved, and the performance of the light detection element 20 can be improved.
The material of the second barrier layer 15 may be an i-type semiconductor. Thereby, it can suppress that an impurity mixes into the quantum dot 5 or the 1st barrier layer 6, and crystallinity falls, and it can suppress that the performance of the optical detection element 20 falls.
The material of the second barrier layer 15 may be a semiconductor having a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer 2, the first contact layer 7, and the second contact layer 8. For example, the semiconductor layer 2, the first contact layer 7, and the second contact layer 8 are n-type semiconductors, the quantum dots 5 and the first barrier layer 6 in the core region 17 are i-type semiconductors, and the second barrier layer 15 is p-type. In the case of a semiconductor, a dark current flows through the second barrier layer 15 because the potential of the second barrier layer 15 rises with respect to the semiconductor layer 2, the first contact layer 7, the second contact layer 8, and the core region 17. This can be suppressed, and the S / N ratio of the light detection element 20 can be increased. If the semiconductor layer 2, the first contact layer 7, and the second contact layer 8 are p-type semiconductors, the second barrier layer 15 can be an n-type semiconductor.

第２障壁層１５の材料は、伝導帯の下端のエネルギー準位が第１障壁層６よりも大きい材料であってもよい。このような構成とすると、第２障壁層１５よりもコア領域１７のほうが電流が流れやすくなる。このことにより、第２障壁層１５に暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を高くすることができる。例えば、第１障壁層６の材料がＧａＡｓである場合、第２障壁層１５の材料はＡｌＧａＡｓやＡｌＩｎＧａＰとすることができる。
第２障壁層１５の材料は、バンドギャップが第１障壁層６よりも大きい材料であってもよい。このような構成によれば、第２障壁層１５に暗電流が流れることを抑制することができる。このため、第２障壁層１５の厚さｄ２を厚くすることができ、コア領域１７を十分に保護することができる。
また、第２障壁層１５の厚さｄ２は、量子ドット５の直径ｄ１（コア領域の直径）の５倍以下の厚さであることが好ましい。このような構成によれば、第２障壁層１５に結晶欠陥等に起因するバックグラウンド電流が流れることを抑制することができ、暗電流が流れることを抑制することができる。例えば、ｄ１＝４０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍとすることができる。
なお、シェル領域１８が第３障壁層１６を有さない場合、第２障壁層１５の表面はチオール処理などによりパッシベーション処理されることが好ましい。このことにより、第２障壁層１５の表面の結晶欠陥を減少させることができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。 The material of the second barrier layer 15 may be a material whose energy level at the lower end of the conduction band is larger than that of the first barrier layer 6. With such a configuration, the current flows more easily in the core region 17 than in the second barrier layer 15. As a result, it is possible to suppress the dark current from flowing through the second barrier layer 15 and to increase the S / N ratio of the light detection element 20. For example, when the material of the first barrier layer 6 is GaAs, the material of the second barrier layer 15 can be AlGaAs or AlInGaP.
The material of the second barrier layer 15 may be a material having a band gap larger than that of the first barrier layer 6. According to such a configuration, it is possible to suppress a dark current from flowing through the second barrier layer 15. For this reason, the thickness d2 of the second barrier layer 15 can be increased, and the core region 17 can be sufficiently protected.
The thickness d2 of the second barrier layer 15 is preferably not more than 5 times the diameter d1 of the quantum dots 5 (the diameter of the core region). According to such a configuration, it is possible to suppress background current due to crystal defects and the like from flowing through the second barrier layer 15, and it is possible to suppress dark current from flowing. For example, d1 = 40 nm and d2 = 100 nm can be set.
In addition, when the shell area | region 18 does not have the 3rd barrier layer 16, it is preferable that the surface of the 2nd barrier layer 15 is passivated by thiol process etc. Thereby, crystal defects on the surface of the second barrier layer 15 can be reduced, and the disappearance of electrons due to surface recombination can be suppressed.

シェル領域１８は、図５、６に示した光検知素子２０のようにコア領域１７の側面を覆う第２障壁層１５と、第２障壁層１５の側面を覆う第３障壁層１６とから構成されてもよい。この場合、第２障壁層１５の材料は、第１障壁層６と同じｉ型半導体とすることができる。このことにより、量子ドット５や第１障壁層６に不純物が混入することを抑制することができ、光検知素子２０の性能が低下することを抑制することができる。また、コア領域１７の結晶性を向上させることができ、光検知素子２０の性能を向上させることができる。
また、第２障壁層１５の材料が第１障壁層６と同じ場合、暗電流が流れることを抑制するために、第２障壁層１５の厚さはできるだけ薄いことが好ましい、例えば、第２障壁層１５の厚さは、量子ドット５の直径よりも小さいことが好ましい。また、第３障壁層１６を設けると、第２障壁層１５の厚さをより薄くすることが可能である。 The shell region 18 includes a second barrier layer 15 that covers the side surface of the core region 17 and a third barrier layer 16 that covers the side surface of the second barrier layer 15, as in the photodetecting element 20 illustrated in FIGS. 5 and 6. May be. In this case, the material of the second barrier layer 15 can be the same i-type semiconductor as that of the first barrier layer 6. Thereby, it can suppress that an impurity mixes into the quantum dot 5 or the 1st barrier layer 6, and can suppress that the performance of the photon detection element 20 falls. Further, the crystallinity of the core region 17 can be improved, and the performance of the light detection element 20 can be improved.
Further, when the material of the second barrier layer 15 is the same as that of the first barrier layer 6, it is preferable that the thickness of the second barrier layer 15 is as thin as possible in order to suppress the flow of dark current, for example, the second barrier layer. The thickness of the layer 15 is preferably smaller than the diameter of the quantum dots 5. Further, when the third barrier layer 16 is provided, the thickness of the second barrier layer 15 can be further reduced.

第３障壁層１６の材料は、第２障壁層１５の材料よりもバンドギャップの大きい材料とすることができる。このことにより、第３障壁層１６を流れる暗電流を抑制できると共に、第２障壁層１５の側面における表面再結合に起因した電子の消失を抑制することができる。特に、第３障壁層１６にＡｌＩｎＧａＰを用いるとその効果が大きい。また、第３障壁層１６を設けることで、第２障壁層１５の厚さをより薄くすることができ、第２障壁層１５を流れる暗電流を抑制することができる。また、第３障壁層１６の材料は、半導体層２と逆の導電型の半導体であってもよい。このような第３障壁層１６を設けることにより、第３障壁層１６を流れる暗電流をより一層抑制することができる。
例えば、量子ドット５の材料にＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓ、第１障壁層６の材料および第２障壁層１５の材料にＧａＡｓ、第３障壁層１６の材料にＡｌＧａＡｓを用いることができる。このような構成によると、第２障壁層１５を設けることにより量子ドット５の結晶性を向上させることができる。また、第３障壁層１６を設けることにより、第２障壁層１５の側面の結晶欠陥やダングリングボンドを減らすことができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。
また、第３障壁層１６の材料にＡｌＧａＡｓを用いた場合、第３障壁層１６の側面を覆うようにさらにＧａＡｓ層等の保護膜を設けることが好ましい。このことにより、Ａｌを含む第３障壁層１６の酸化等による劣化を抑制することができる。 The material of the third barrier layer 16 can be a material having a larger band gap than the material of the second barrier layer 15. Thus, dark current flowing through the third barrier layer 16 can be suppressed, and disappearance of electrons due to surface recombination on the side surface of the second barrier layer 15 can be suppressed. In particular, when AlInGaP is used for the third barrier layer 16, the effect is great. Further, by providing the third barrier layer 16, the thickness of the second barrier layer 15 can be further reduced, and the dark current flowing through the second barrier layer 15 can be suppressed. The material of the third barrier layer 16 may be a semiconductor having a conductivity type opposite to that of the semiconductor layer 2. By providing such a third barrier layer 16, dark current flowing through the third barrier layer 16 can be further suppressed.
For example, InGaAs or InAs can be used as the material of the quantum dots 5, GaAs can be used as the material of the first barrier layer 6 and the second barrier layer 15, and AlGaAs can be used as the material of the third barrier layer 16. According to such a configuration, the crystallinity of the quantum dots 5 can be improved by providing the second barrier layer 15. Further, by providing the third barrier layer 16, crystal defects and dangling bonds on the side surfaces of the second barrier layer 15 can be reduced, and the disappearance of electrons due to surface recombination can be suppressed.
When AlGaAs is used as the material of the third barrier layer 16, it is preferable to further provide a protective film such as a GaAs layer so as to cover the side surface of the third barrier layer 16. As a result, deterioration due to oxidation or the like of the third barrier layer 16 containing Al can be suppressed.

第２障壁層１５と第３障壁層１６とから構成されるシェル領域１８を有する光検知素子２０において、量子ドット５の直径ｄ１（コア領域１７の直径）は、第２障壁層１５の厚さｄ２よりも大きいことが好ましい。このことにより、暗電流が流れることを抑制することができる。
また、第３障壁層１６の厚さｄ３は、第２障壁層１５の厚さｄ２よりも厚く、量子ドット５の直径ｄ１の５倍の長さよりも薄いことが好ましい。このことにより、第３障壁層１６に結晶欠陥等に起因するバックグラウンド電流が流れることを抑制することができ、暗電流が流れることを抑制することができる。
また、基板上にマスク層を形成し、アキシャル成長によりマスク層の開口パターンにナノワイヤ４のコア領域１７を形成する光検知素子２０の場合、第２障壁層１５、第３障壁層１６のマスク層側は半導体層２と直接接していない。従って、マスク層に導電率の低い材料（例えばＳｉＯ₂）を用いた場合、第２障壁層１５、第３障壁層１６にキャリアが注入されたとしても、第２障壁層１５、第３障壁層１６を貫通してキャリアが流れる事はできず、コア領域１７のいずれかの場所にキャリアが落ち込むことになる。すなわち、第２障壁層１５、第３障壁層１６を流れる暗電流を著しく抑制できる。 In the photodetector 20 having the shell region 18 composed of the second barrier layer 15 and the third barrier layer 16, the diameter d1 of the quantum dot 5 (the diameter of the core region 17) is the thickness of the second barrier layer 15. It is preferable that it is larger than d2. This can suppress the flow of dark current.
In addition, the thickness d3 of the third barrier layer 16 is preferably thicker than the thickness d2 of the second barrier layer 15 and thinner than five times the diameter d1 of the quantum dots 5. Thereby, it is possible to suppress the background current due to crystal defects and the like from flowing through the third barrier layer 16 and to suppress the dark current from flowing.
In the case of the photodetecting element 20 in which the mask layer is formed on the substrate and the core region 17 of the nanowire 4 is formed in the opening pattern of the mask layer by axial growth, the mask layers of the second barrier layer 15 and the third barrier layer 16 are formed. The side is not in direct contact with the semiconductor layer 2. Therefore, when a material having low conductivity (for example, SiO ₂ ) is used for the mask layer, even if carriers are injected into the second barrier layer 15 and the third barrier layer 16, the second barrier layer 15 and the third barrier layer are used. The carrier cannot flow through 16, and the carrier falls into any part of the core region 17. That is, the dark current flowing through the second barrier layer 15 and the third barrier layer 16 can be remarkably suppressed.

３．マスク層、絶縁層
マスク層１３は、特定の方向にのみ結晶成長させるアキシャル成長によりナノワイヤ４のコア領域１７を形成する場合に設けることができる。マスク層１３は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように設けることができる。ナノワイヤ４のコア領域１７を他の方法により形成する場合、マスク層１３は省略することができる。マスク層１３の材料は、例えば、ＳｉＯ₂とすることができる。
なお、マスク層１３の開口部の大きさにより、量子ドット５の径方向のサイズｄ１が決まるため、形成したい量子ドット６のサイズｄ１に応じてマスク層１３の開口部の大きさを決めることができる。マスク層１３は、量子ドットサイズ（ナノワイヤサイズ）、ナノワイヤの面内分布・面内密度等を非常に精密に制御したい場合に有効である。
絶縁層１４は、ナノワイヤ４の周りを埋める層であり、絶縁性材料からなる。絶縁層１４は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように設けることができる。絶縁層１４を設けることにより、ナノワイヤ４の形状を安定化することができ、光検知素子２０の機械的特性を向上させることができる。また、絶縁層１４を設けることにより、ナノワイヤ４に効率よく電圧を印加することができる。絶縁層１４の材料は、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂とすることができる。 3. Mask Layer and Insulating Layer The mask layer 13 can be provided when the core region 17 of the nanowire 4 is formed by axial growth in which crystal growth is performed only in a specific direction. The mask layer 13 can be provided, for example, like the photodetecting element 20 shown in FIG. When the core region 17 of the nanowire 4 is formed by another method, the mask layer 13 can be omitted. The material of the mask layer 13 can be, for example, SiO ₂ .
Since the size d1 of the quantum dot 5 in the radial direction is determined by the size of the opening of the mask layer 13, the size of the opening of the mask layer 13 can be determined according to the size d1 of the quantum dot 6 to be formed. it can. The mask layer 13 is effective when it is desired to control the quantum dot size (nanowire size), the in-plane distribution / in-plane density of the nanowire, etc. very precisely.
The insulating layer 14 is a layer that fills around the nanowire 4 and is made of an insulating material. The insulating layer 14 can be provided, for example, like the photodetecting element 20 shown in FIG. By providing the insulating layer 14, the shape of the nanowire 4 can be stabilized, and the mechanical characteristics of the light detection element 20 can be improved. Further, by providing the insulating layer 14, it is possible to efficiently apply a voltage to the nanowire 4. The material of the insulating layer 14 can be, for example, BCB (benzocyclobutene) resin.

４．第１電極、第２電極
第１電極１０は、半導体層２に電気的に接続するように設けられる。第１電極１０は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように半導体層２のナノワイヤ４が設けられた主要面の反対の主要面上に設けることができる。なお、第１電極１０と半導体層２は、電気的に接続すればよく、その間に配線や不純物半導体層などが介在してもよい。第１電極１０の材料は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕとすることができる。
第２電極１２は、ナノワイヤ４の先端に電気的に接続するように設けられる。第２電極１２は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように、ナノワイヤ４の先端上に設けることができる。第２電極１２側から光を照射する場合、第２電極１２は、透明電極であると光の入射量の観点から好ましい。このことにより、量子ドット５が効率よく受光することができる。なお、第２電極１２とナノワイヤ４の先端は、電気的に接続すればよく、その間に配線や不純物半導体層などが介在してもよい。第２電極１２の材料は、例えば、ＩＴＯとすることができる。第２電極１２はグリッド構造としてもよく、第２電極１２が存在しない領域から光を入射させてもよい。この場合、第２電極１２の材料は、例えば、ＩＴＯ、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕとすることができる。
なお、第１電極１０からナノワイヤ４に電子が供給されてもよく、第２電極１２からナノワイヤ４に電子が供給されてもよい。 4). First electrode, second electrode The first electrode 10 is provided so as to be electrically connected to the semiconductor layer 2. The 1st electrode 10 can be provided on the main surface opposite to the main surface in which the nanowire 4 of the semiconductor layer 2 was provided like the photodetection element 20 shown in FIG. 1, for example. Note that the first electrode 10 and the semiconductor layer 2 may be electrically connected, and a wiring, an impurity semiconductor layer, or the like may be interposed therebetween. The material of the first electrode 10 can be, for example, AuGeNi / Au.
The second electrode 12 is provided so as to be electrically connected to the tip of the nanowire 4. The 2nd electrode 12 can be provided on the front-end | tip of the nanowire 4 like the photodetection element 20 shown in FIG. When irradiating light from the second electrode 12 side, the second electrode 12 is preferably a transparent electrode from the viewpoint of the amount of incident light. Thereby, the quantum dot 5 can receive light efficiently. Note that the second electrode 12 and the tip of the nanowire 4 may be electrically connected, and a wiring, an impurity semiconductor layer, or the like may be interposed therebetween. The material of the second electrode 12 can be, for example, ITO. The second electrode 12 may have a grid structure, and light may enter from a region where the second electrode 12 does not exist. In this case, the material of the second electrode 12 can be, for example, ITO or AuGeNi / Au.
Note that electrons may be supplied from the first electrode 10 to the nanowire 4, and electrons may be supplied from the second electrode 12 to the nanowire 4.

５．光検知素子の製造方法
光検知素子２０に含まれるナノワイヤ４のコア領域１７は、特定の方向にのみ結晶成長させるアキシャル成長により形成してもよく、障壁層と量子層とを交互に積層した後エッチングすることにより形成されてもよく（トップダウン方式）、Ａｕなどの貴金属触媒やＧａなどの自己触媒を用いたＶＬＳ（Vapor-Liquid-Solid）法により基板面からナノ構造を積み上げて結晶成長させることにより形成してもよい。
ここでは、アキシャル成長によりナノワイヤ４のコア領域１７を形成する光検知素子２０の製造方法について説明する。この製造方法では、量子ドットナノワイヤの成長場所・面内密度、隣り合う量子ドットナノワイヤ間隔、量子ドットナノワイヤ直径（すなわち量子ドット直径）、量子ドット高さ等を非常に緻密に制御できる利点を有する。 5. Manufacturing Method of Photodetecting Element The core region 17 of the nanowire 4 included in the photodetecting element 20 may be formed by axial growth in which crystals are grown only in a specific direction, and after alternately laminating barrier layers and quantum layers. It may be formed by etching (top-down method), and crystal growth is performed by stacking nanostructures from the substrate surface by a VLS (Vapor-Liquid-Solid) method using a noble metal catalyst such as Au or an autocatalyst such as Ga. May be formed.
Here, a manufacturing method of the light detection element 20 in which the core region 17 of the nanowire 4 is formed by axial growth will be described. This manufacturing method has an advantage that the quantum dot nanowire growth location / in-plane density, the interval between adjacent quantum dot nanowires, the quantum dot nanowire diameter (that is, the quantum dot diameter), the quantum dot height, and the like can be controlled very precisely.

図７（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態の光検知素子２０の製造方法の説明図である。なお、本製造方法では、例えば、減圧ＭＯＣＶＤ成長装置を用いて結晶成長させることができる。
半導体層２には、単結晶のｎ型半導体基板を用いることができる。半導体基板２には、例えば、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ面を主要面とするｎ型ＧａＡｓ基板を用いることができる。
まず、図７（ａ）のように、半導体基板２上にマスク層１３を形成する。例えば、マスク層１３は、半導体基板２上に膜厚１０ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成し、ＳｉＯ₂膜上にレジストを形成しＥＢ描画によりにレジストに開口パターンを形成することができる。マスクの開口パターンの直径や面密度は自由に設定することができる。その後、エッチングによりＳｉＯ₂膜の一部を除去しＳｉＯ₂膜に開口のパターンを形成することにより、半導体基板２上にマスク層１３を形成することができる。マスク層１３に形成した開口パターンがナノワイヤ４のコア領域１７の直径（量子ドット５の直径ｄ１）と実質的に同じになる。従って、形成したい量子ドット５のサイズｄ１に応じてマスク層１３の開口部の大きさを決めることができる。例えば、マスク層１３には、直径４０ｎｍの円状開口を５００ｎｍの間隔で複数形成することができる。
なお、図７（ａ）では、半導体基板２の裏面上に第１電極１０を設けているが、第１電極１０は、ナノワイヤ４を形成する前に形成してもよく、ナノワイヤ４を形成した後に形成してもよい。 7A to 7G are explanatory views of a method for manufacturing the photodetecting element 20 of the present embodiment. In this manufacturing method, for example, crystals can be grown using a low pressure MOCVD growth apparatus.
A single crystal n-type semiconductor substrate can be used for the semiconductor layer 2. As the semiconductor substrate 2, for example, an n-type GaAs substrate having a GaAs (111) B surface as a main surface can be used.
First, as shown in FIG. 7A, a mask layer 13 is formed on the semiconductor substrate 2. For example, the mask layer 13 can form a 10 nm thick SiO ₂ film on the semiconductor substrate 2, form a resist on the SiO ₂ film, and form an opening pattern in the resist by EB drawing. The diameter and surface density of the opening pattern of the mask can be freely set. Thereafter, the mask layer 13 can be formed on the semiconductor substrate 2 by removing a part of the SiO ₂ film by etching and forming an opening pattern in the SiO ₂ film. The opening pattern formed in the mask layer 13 is substantially the same as the diameter of the core region 17 of the nanowire 4 (the diameter d1 of the quantum dots 5). Therefore, the size of the opening of the mask layer 13 can be determined according to the size d1 of the quantum dots 5 to be formed. For example, a plurality of circular openings having a diameter of 40 nm can be formed in the mask layer 13 at intervals of 500 nm.
In FIG. 7A, the first electrode 10 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 2, but the first electrode 10 may be formed before the nanowire 4 is formed, or the nanowire 4 is formed. It may be formed later.

次に、図７（ｂ）（ｃ）のように、半導体基板２上にアキシャル成長によりナノワイヤ４のコア領域１７を結晶成長させる。まず、減圧ＭＯＣＶＤ成長装置を用いて、マスク層１３を形成した半導体基板２上に第１コンタクト層７、第１障壁層６、量子ドット層５、第１障壁層６、第２コンタクト層８をこの順で結晶成長させることができる。第１コンタクト層７、第１障壁層６、量子ドット層５、第１障壁層６、第２コンタクト層８の材料には、半導体基板２の結晶構造と同じ結晶構造又は近い結晶構造を有する材料を用いることができる。このことにより、半導体基板２の表面上にナノワイヤ４のコア領域１７をエピタキシャル成長させることができる。また、ナノワイヤ４のコア領域１７が半導体基板２の表面に垂直な方向にのみ結晶成長するように成膜条件を設定する。マスク層１３上にはエピタキシャル結晶成長しないため、図７（ｃ）のように、マスク層１３の開口部に半導体基板２から実質的に垂直に伸びるナノワイヤ４のコア領域１７を形成することができる。ナノワイヤ４のコア領域１７を結晶成長させる成膜条件は、例えば、半導体基板２の温度を７５０℃とし、チャンバー内圧力を７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、例えば、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８の材料はｎ型ＧａＡｓとすることができ、第１障壁層６の材料はｉ型ＧａＡｓとすることができ、量子ドット層５の材料はＩｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとすることができ、ｎｉｎ型量子ドット光検知素子を形成できる。障壁層６もしくは量子ドット層５にドーピングを行えば、ｎｎ^-ｎ型量子ドット光検知素子を形成できる。
なお、図７（ｂ）（ｃ）では、半導体基板２上に１本のナノワイヤ４のコア領域１７を形成しているが、半導体基板２上に複数本のナノワイヤ４のコア領域１７を形成することができる。また、図７（ｂ）（ｃ）では、ナノワイヤ４のコア領域１７中に１つの量子ドット５を形成しているが、ナノワイヤ４のコア領域１７中に複数の量子ドット５を形成してもよい。 Next, as shown in FIGS. 7B and 7C, the core region 17 of the nanowire 4 is grown on the semiconductor substrate 2 by axial growth. First, the first contact layer 7, the first barrier layer 6, the quantum dot layer 5, the first barrier layer 6, and the second contact layer 8 are formed on the semiconductor substrate 2 on which the mask layer 13 is formed using a low pressure MOCVD growth apparatus. Crystals can be grown in this order. The material of the first contact layer 7, the first barrier layer 6, the quantum dot layer 5, the first barrier layer 6, and the second contact layer 8 is a material having the same or similar crystal structure as the crystal structure of the semiconductor substrate 2. Can be used. Thereby, the core region 17 of the nanowire 4 can be epitaxially grown on the surface of the semiconductor substrate 2. Further, the film forming conditions are set so that the core region 17 of the nanowire 4 grows only in the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 2. Since epitaxial crystal growth does not occur on the mask layer 13, the core region 17 of the nanowire 4 extending substantially perpendicularly from the semiconductor substrate 2 can be formed in the opening of the mask layer 13 as shown in FIG. 7C. . The film formation conditions for crystal growth of the core region 17 of the nanowire 4 can be, for example, a temperature of the semiconductor substrate 2 of 750 ° C. and a chamber internal pressure of 76 Torr. For example, the material of the first contact layer 7 and the second contact layer 8 can be n-type GaAs, the material of the first barrier layer 6 can be i-type GaAs, and the material of the quantum dot layer 5 Can be In _0.3 Ga _0.7 As, and a nin type quantum dot photodetecting element can be formed. If the barrier layer 6 or the quantum dot layer 5 is doped, an nn ^- n type quantum dot photodetecting element can be formed.
7B and 7C, the core region 17 of one nanowire 4 is formed on the semiconductor substrate 2, but the core region 17 of a plurality of nanowires 4 is formed on the semiconductor substrate 2. be able to. 7B and 7C, one quantum dot 5 is formed in the core region 17 of the nanowire 4, but a plurality of quantum dots 5 may be formed in the core region 17 of the nanowire 4. Good.

次に、図７（ｄ）のように、ナノワイヤ４のコア領域１７の側面上にシェル領域１８を構成する第２障壁層１５を結晶成長させる。第２障壁層１５の材料には、ナノワイヤ４のコア領域１７の結晶構造と同じ結晶構造又は近い結晶構造を有する材料を用いることができる。このことにより、ナノワイヤ４のコア領域１７の表面上に第２障壁層１５をエピタキシャル成長させることができる。また、ナノワイヤ４のコア領域１７の側面上に第２障壁層１５が結晶成長するように成膜条件を設定する。例えば、高温成長であればコア領域１７の頂上に（コア領域の長さが延びる方向に）結晶成長が進むが、低温成長であればコア領域１７の側面上に結晶成長が進む。このことにより、コア−シェル構造を有するナノワイヤ４を半導体基板２上に形成することができる。
なお、第２障壁層１５を形成した後に、第３障壁層１６を形成してもよい。さらに、第３障壁層１６を形成した後に保護膜を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 7D, the second barrier layer 15 constituting the shell region 18 is grown on the side surface of the core region 17 of the nanowire 4. As the material of the second barrier layer 15, a material having the same crystal structure as that of the core region 17 of the nanowire 4 or a crystal structure close thereto can be used. Thereby, the second barrier layer 15 can be epitaxially grown on the surface of the core region 17 of the nanowire 4. Further, the film forming conditions are set so that the second barrier layer 15 grows on the side surface of the core region 17 of the nanowire 4. For example, crystal growth proceeds on the top of the core region 17 (in the direction in which the length of the core region extends) in the case of high-temperature growth, but crystal growth proceeds on the side surface of the core region 17 in the case of low-temperature growth. As a result, the nanowire 4 having a core-shell structure can be formed on the semiconductor substrate 2.
Note that the third barrier layer 16 may be formed after the second barrier layer 15 is formed. Further, a protective film may be formed after the third barrier layer 16 is formed.

次に、図７（ｅ）のように、ナノワイヤ４の周りに絶縁層１４を形成する。絶縁層１４の材料には、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂を用いることができる。
次に、図７（ｆ）のように、絶縁層１４の上部をエッチングにより除去し、ナノワイヤ４の上部を露出させる。図７（ｆ）ではナノワイヤと絶縁層１４が同程度の選択比でエッチングされる様子を模式的に記載しているが、絶縁層１４が全てなくならない範囲内において優先的に（選択比が高く）エッチングされても良い。
次に、図７（ｇ）のように、ナノワイヤ４上および絶縁層１４上に第２電極１２を形成し、本実施形態の光検知素子２０を製造することができる。
このようにして製造した量子ドットナノワイヤの電子顕微鏡写真を図８（ａ）（ｂ）に示す。図８（ａ）（ｂ）は絶縁層１４や第２電極１２の形成前の写真である。コア領域１７の側面上にシェル領域１８を構成する第２障壁層１５を結晶成長しており、その構造が形成されていることが図８（ｂ）からわかる。 Next, an insulating layer 14 is formed around the nanowire 4 as shown in FIG. As a material of the insulating layer 14, a resin such as BCB (benzocyclobutene) can be used.
Next, as shown in FIG. 7F, the upper portion of the insulating layer 14 is removed by etching, and the upper portion of the nanowire 4 is exposed. FIG. 7 (f) schematically shows a state in which the nanowire and the insulating layer 14 are etched with the same selective ratio, but preferentially (with a high selection ratio within a range in which the insulating layer 14 is not completely removed. ) It may be etched.
Next, as shown in FIG. 7G, the second electrode 12 is formed on the nanowire 4 and the insulating layer 14, and the photodetecting element 20 of this embodiment can be manufactured.
Electron micrographs of the quantum dot nanowires thus produced are shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). FIGS. 8A and 8B are photographs before the formation of the insulating layer 14 and the second electrode 12. It can be seen from FIG. 8B that the second barrier layer 15 constituting the shell region 18 is grown on the side surface of the core region 17 and the structure is formed.

このようなアキシャル成長手法では、非常に精密に量子ドットサイズを制御することができる。複数の量子ドットを均一なサイズとすることで、光検知素子の吸収波長の広がりを小さくすることができ、検知したい極狭い波長域の光のみを検知することが可能になる。逆に、量子ドットサイズの制御性を利用し複数種類の量子ドットサイズを形成することで、２種類以上の波長域の光を同時に検出したり、波長域幅の広い光を検知することができる。
例えば、１本のナノワイヤの上部領域と下部領域において高さが異なる複数種類の量子ドットを形成することで、検出波長域を広げることができる。
また、マスク層の面内に複数種類の領域を設け、それぞれの領域においてマスク層の開口部の大きさを変えることで、コア領域の直径、すなわちサイズ（直径）が異なる複数種類の量子ドットを形成することができる。各々の領域ごとに別々に電極を形成すれば、多波長検出が可能となる。
このような光検知素子を用いれば、例えば絶対温度の測定や火災検知に応用できる。絶対温度や火災検知の測定は、物体からの放射や火災特有の波長域から２種類以上の波長を検出する事で、確実な検知となる。本発明は、上記のような多波長検出に応用することが可能である。 With such an axial growth method, the quantum dot size can be controlled very precisely. By setting the plurality of quantum dots to a uniform size, it is possible to reduce the spread of the absorption wavelength of the light detection element, and it is possible to detect only light in the extremely narrow wavelength region to be detected. Conversely, by forming a plurality of types of quantum dot sizes using the controllability of the quantum dot size, it is possible to detect light of two or more wavelength ranges simultaneously or to detect light with a wide wavelength range. .
For example, the detection wavelength region can be expanded by forming a plurality of types of quantum dots having different heights in the upper region and the lower region of one nanowire.
In addition, by providing a plurality of types of regions in the surface of the mask layer and changing the size of the opening of the mask layer in each region, a plurality of types of quantum dots having different core region diameters, that is, sizes (diameters), can be obtained. Can be formed. Multi-wavelength detection is possible if electrodes are formed separately for each region.
If such a light detection element is used, it can be applied to measurement of absolute temperature and fire detection, for example. Absolute temperature and fire detection measurements can be reliably detected by detecting two or more wavelengths from the radiation from an object or the wavelength range peculiar to fire. The present invention can be applied to multi-wavelength detection as described above.

２：半導体層（半導体基板）４：ナノワイヤ５：量子ドット６：第１障壁層７：第１コンタクト層８：第２コンタクト層１０：第１電極１２：第２電極１３：マスク層１４：絶縁層１５：第２障壁層１６：第３障壁層１７：コア領域１８：シェル領域２０：光検知素子
１０２：受光面電極１０４：障壁層１０６：受光面側コンタクト層１０７：裏面側コンタクト層１１０：量子ドット１１２：裏面電極１１５：光電流１１８：暗電流 2: Semiconductor layer (semiconductor substrate) 4: Nanowire 5: Quantum dot 6: First barrier layer 7: First contact layer 8: Second contact layer 10: First electrode 12: Second electrode 13: Mask layer 14: Insulation Layer 15: Second barrier layer 16: Third barrier layer 17: Core region 18: Shell region 20: Photodetecting element 102: Light receiving surface electrode 104: Barrier layer 106: Light receiving surface side contact layer 107: Back surface side contact layer 110: Quantum dot 112: Back electrode 115: Photocurrent 118: Dark current

Claims

A semiconductor layer having a flat surface; at least one elongated nanowire extending substantially perpendicularly from the surface of the semiconductor layer; a first electrode electrically connected to the semiconductor layer; and electrically connected to a tip of the nanowire. A second electrode connected to
The nanowire is made of a semiconductor, and possess at least one quantum dot and a plurality of first barrier layers are alternately laminated in the length direction structure,
The nanowire includes a core region having a structure in which the quantum dots and the first barrier layer are stacked, and a shell region having a second barrier layer that covers a side surface of the core region,
The shell region comprises a third barrier layer covering the second barrier layer;
The first barrier layer and the second barrier layer are made of the same material,
The third barrier layer is made of a material having a larger band gap than the material of the second barrier layer .

The nanowire includes a plurality of types of quantum dots,
The photodetecting element according to claim 1, wherein the plurality of types of quantum dots have different light absorption bands .

The photodetecting element according to claim 2, wherein the plurality of types of quantum dots have different diameters or different thicknesses .

The semiconductor layer is made of a semiconductor material of a first conductivity type,
The third barrier layer, the light detecting element according to any one of claims 1 to 3 of semiconductor material of a second conductivity type.

The diameter of the said core area | region is a photodetector element as described in any one of Claims 1-4 larger than the thickness of a 2nd barrier layer.