JP6830574B2 - 赤外線検出素子、赤外線検出器および赤外線検出素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光吸収層内に半導体量子ドットを含む赤外線検出素子に関する。

熱源の検知や温度測定、特定のガス検知、あるいは、暗視用カメラのセンサなどを目的として、赤外線検出素子や、それを利用した赤外領域における光検出技術が近年注目を集めている。また、複数の素子を線状及び２次元アレイ状に配置してイメージセンサとした赤外線検出器が盛んに開発されている。

赤外線検出素子の材料や構造には複数あり、その１つが、光吸収層に半導体量子ドットを含む量子ドット赤外線検出素子（Quantum Dot Infrared Photodetector、以下、「ＱＤＩＰ」とも称する）である。

ＱＤＩＰは、量子ドットの周囲が、量子ドットを構成する材料よりも大きなバンドギャップを持つ半導体で３次元的に囲まれた構造を有している。また、量子ドットの領域に電子および正孔が強く閉じ込められている。その結果、量子ドット中に離散的なエネルギー準位が形成される。ＱＤＩＰは、それらの準位のうち、伝導帯の複数の電子サブバンド準位を利用し、サブバンド間エネルギー差に相当する検出波長を持つ赤外線を検知する。

ＱＤＩＰはその特性上、一般的に波長に対して離散的な分光感度を持つ。熱検知においては温度に依存したスペクトルの特定を目的とし、また、ガス検知においてはガスの物質に依存した特定のスペクトルを抽出するため、ＱＤＩＰには目的に即した波長において狭帯域な波長特性、即ち狭線幅な分光感度ピークを持つことが望まれる。また、ＱＤＩＰは、光照射に伴う電気伝導度の変化を検出する光伝導型の赤外線検出素子であり、その性能指標である比検出能Ｄ^＊は、以下の式１で表される。

ここで、Ｒ_ｐは検知波長における受光感度、Ａは素子の受光面積、Δｆは素子の帯域幅、ｉ_ｎはノイズ電流である。ＱＤＩＰにおいて、ノイズ電流は主に暗電流によって決まり、ノイズ電流ｉ_ｎは以下の式２で表される。

ここで、ｅは素電荷、ｇは光伝導利得、Ｉは暗電流である。ＱＤＩＰにおいて、所望の波長に対して高い比検出能を有する素子を実現するためには、特定波長における受光感度を向上させると共に、素子の低暗電流化が求められる。

一方、分光感度ピークの線幅は、主に量子ドットの大きさ、特に高さのばらつきに起因した不均一広がりに映される。量子ドットの高さばらつきが大きいほど分光感度ピークの線幅が太くなるため、狭帯域な波長特性の実現には、量子ドットの高さばらつきを抑制することが必要となる。

このような量子ドットの高さばらつきを抑制するための方法が、例えば特許文献１に開示されている。非特許文献１に開示された技術においては、組成としてＩｎを含む量子ドットの成長中、ある制御された高さまでＧａＡｓを埋め込み、基板温度を一時的に上昇させることにより、ある高さ以上の量子ドットの頂部を蒸発させることで、量子ドットの高さ均一化を図っている。

一方、受光感度向上のための手法の１つとして、例えば、n型ドーパントであるＳｉ原子の注入即ちドナー不純物のドーピングが挙げられる。受光感度は、素子への光照射強度と、それに伴い流れる電流との比であり、ＱＤＩＰにおいては量子ドットの光の吸収効率に依存する。光の吸収効率に寄与する要因の一つとして、量子ドットの基底状態の電子数がある。量子ドットの成長後、量子ドットの直上にドナーとなるＳｉ原子を添加する。これにより、量子ドットの基底状態に電子が１つ以上存在する確率を高めることで光の吸収に寄与する量子ドットの数が増加し、結果として、素子の受光感度が向上する。しかし、ドーピングにより量子ドットの基底状態以外に導入された電子は暗電流の原因となり、ノイズ電流を増加させる要因となる。したがって、比検出能向上のためには、適切な位置に適切な量のドーピングを施す必要がある。

尚、ＱＤＩＰにおいてドーピングによる受光感度向上を図った赤外線検出素子が、例えば非特許文献１に公開されている。非特許文献１に開示された技術においては、ＱＤＩＰの１つである量子ドットが量子井戸内に存在するＤＷＥＬＬ（Dot-in-WELL）構造を採用し、量子ドットの直上にｎ型ドーパントを添加することで光吸収に関与する量子ドットの割合を増やし、素子の高感度化を図っている。

特許第４０６６００２号公報

S. Krishnaほか、APPLIED PHYSICS LETTERS ８３巻、１４号、2745〜2747頁（２００３年発行）

ＱＤＩＰの性能向上のための狭線幅化および比検出能向上のためには、非特許文献１のドーピング手法と特許文献１の狭線幅化とを併せて行う必要があるが、成長された量子ドットの直上にドーピングを行い、薄い埋込層形成後に基板温度を上昇させて埋め込まれていない量子ドット頂部のＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓの蒸発を行う従来の手法においては、温度上昇によりドーパント原子が周囲の層に拡散して量子ドット内に電子が束縛されないため、受光感度が増加せず、また、拡散した電子により暗電流が増加するため、結果として比検出能が向上しないという課題があった。

それ故、本発明の目的は、狭線幅かつ優れた比検出能を持つ赤外線検出素子およびその製造方法を提供することである。

本発明によれば、半導体から成る中間層と、前記中間層中に形成され、複数の量子ドットを含む少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有し、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出素子であって、前記量子ドット層は、下部量子井戸層と、該下部量子井戸層の上に成長された前記量子ドットと、該量子ドットの周囲に形成された埋込層と、該埋込層に添加されたドナー不純物であるドーパント原子と、前記埋込層の上に形成された上部量子井戸層とから成り、前記量子ドットは、その高さが前記埋込層の厚さ以下であり、前記ドーパント原子は、前記埋込層および前記量子ドットの上部に存在することを特徴とする赤外線検出素子が得られる。

本発明によればまた、半導体から成る中間層と、前記中間層中に形成され、複数の量子ドットを含む少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有し、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出素子の製造方法であって、半導体基板上に、前記中間層の下部層を形成する工程と、前記中間層の下部層が形成された半導体基板上に、下部量子井戸層を形成する工程と、前記下部量子井戸層上に、複数の量子ドットを成長させる工程と、前記量子ドットが成長された下部量子井戸層上に、埋込層を前記量子ドットの上端部が突出する厚さで形成する工程と、前記埋込層の表面から突出した前記量子ドットの上端部を、前記埋込層形成工程時よりも高温下に維持して蒸発または水平方向に拡散させることにより、平坦化する工程と、平坦化された前記埋込層の表面に前記ドーパント原子を添加する工程と、前記ドーパント原子が添加された前記埋込層上に、前記上部量子井戸層を形成する工程と、前記上部量子井戸層上に、前記中間層の上部層を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法が得られる。

本発明による赤外線検出素子は、優れた比検出能を有することに加え、狭線幅な分光感度ピークを有している。

本発明の実施形態１による赤外線検出器の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態１による赤外線検出器における量子ドット層の拡大図である。 本発明の実施形態１による赤外線検出器における量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンドおよび量子準位を示す図である。 本発明による赤外線検出器の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態１による赤外線検出器における量子ドット層の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施形態１による赤外線検出素器の動作原理を説明するための図である。 本発明の実施形態１による赤外線検出器と従来の赤外線検出器との比検出能の測定結果である。 本発明の実施形態２による赤外線検出器における量子ドット層を示す断面図である。 本発明の実施形態２による赤外線検出器における量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンドおよび量子準位を示す図である。

本発明による赤外線検出素子は、中間層と、前記中間層中に形成され、複数の量子ドットを含む少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有し、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する。

特に、本発明において、量子ドット層４２は、量子ドット４２Ａとドーパント４２Ｅと下部量子井戸層４２Ｂと上部量子井戸層４２Ｆとから成り、前記量子ドット４２Ａは、下部量子井戸層４２Ｂの上に成長され、その周囲を埋込層４２Ｄで覆い、前記量子ドット４２Ａの高さは前記埋込層４２Ｄの厚さ以下であって、前記埋込層４２Ｄの上部および前記量子ドット４２Ａの頂部にドーパント原子が存在し、その上部に上部量子井戸層４２Ｆが積層されていることを特徴とする。

また量子ドット４２Ａは、下部量子井戸層４２Ｂの上に成長された量子ドット４２Ａを埋込層４２Ｄで覆い、埋込層４２Ｄの厚さ以上に突出した量子ドット４２Ａの頂部を平坦化し、その上部にドーパント原子を添加した後、上部量子井戸層４２Ｆを積層してある。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。

［実施形態１］
［構成］
図１は、本発明の実施形態１による赤外線検出器２００の構造を説明する断面図である。赤外線検出器２００は、共通の半導体基板１、緩衝層２および下部コンタクト層３上にて、取得したい赤外線画像の１画素に相当する赤外線検出素子１００が複数個、ｘ方向およびｙ方向に並んだ構造である。ただし、図１においては、１つの赤外線検出素子１００のみを示している。

赤外線検出器２００は、半導体基板１、緩衝層２、下部コンタクト層３、光吸収層４、上部コンタクト層５、下部電極７、上部電極８などを備えている。

具体的には、半導体基板１の上に緩衝層２が形成されている。緩衝層２は、半導体基板１と同じ半導体材料から構成されている。また、緩衝層２の上に下部コンタクト層３が形成されている。下部コンタクト層３は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。尚、下部コンタクト層３は、半導体基板１上に、緩衝層２を介さず直接形成されていてもよい。また、下部コンタクト層３上に光吸収層４および下部電極７が形成されている。半導体基板１がｎ型である場合には、この上に直接、下部電極７が形成されても構わない。さらに、光吸収層４の上に上部コンタクト層５、および上部電極８が形成されている。上部コンタクト層５は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。

光吸収層４と上部コンタクト層５は、エッチングプロセス等によりその一部を取り除くことにより素子分離が行われている。この工程により、複数の赤外線検出素子１００が形成される。赤外線検出素子１００は、以下の原理で赤外線を検出する。電圧源６０１によって上部電極８と下部電極７との間に適切な電圧を印加した条件下で、上部コンタクト層５の上側から赤外線Ｘが入射されると、光吸収層４がその構造に応じた波長の赤外線を吸収し、その結果、上部電極８と下部電極７との間に光電流が流れ、電流計６０２を用いて検出される。その際、入射赤外線Ｘの検出効率を高めるために、上部コンタクト層５の上側や半導体基板１の下側に反射防止膜を形成するといった工夫をしてもよい。また、入射赤外線Ｘは半導体基板１の下側から入射してもよい。

光吸収層４は、ｎ型ドープされた下部コンタクト層３上にて、ｉ型の中間層４１と、複数の量子ドット４２Ａ（図２）を含む量子ドット層４２とが交互に形成されて成る。具体的には、下部コンタクト層３上に、中間層４１、量子ドット層４２の順に、各層が複数回繰り返し形成されている。このような積層をできるだけ多く繰り返すことにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率を大きくすることができる。尚、図１では略して４回の繰り返し積層が示されている。また、図１では、説明の便宜上、中間層４１と、量子ドット層４２における量子ドット４２Ａ間とを明確に区別して描いているが、実際には、両層間に明確な界面が存在するわけではない。

次に、さらに図２を参照して、本発明の実施形態１における量子ドット層４２を、詳細に説明する。

図２は本発明の実施形態１による赤外線検出器２００における量子ドット層４２近傍の積層構造一組のみを抜き出して示した断面図の一例である。

量子ドット層４２は、複数の量子ドット４２Ａと、濡れ層４２Ｃと、埋込層４２Ｄと、ドーパント４２Ｅと、下部量子井戸層４２Ｂと、上部量子井戸層４２Ｆとから構成されている。

量子ドット４２Ａは、濡れ層４２Ｃを介して下部量子井戸層４２Ｂの上部に形成されている。この濡れ層４２Ｃは、量子ドット４２Ａを形成する過程で付随して自然に形成される。尚、図示はしないが、量子ドット４２Ａの周囲にも濡れ層が形成されている。即ち、量子ドット４２Ａは、その下部および周囲が、濡れ層によって覆われている。製造法の違いにより濡れ層４２Ｃが形成されない場合、本発明において濡れ層４２Ｃを省いても構わない。

さらに、これらの量子ドット４２Ａ、濡れ層４２Ｃを埋め込む様に、それらの上部に埋込層４２Ｄが積層されている。最初に形成した段階では量子ドット４２Ａの高さにはばらつきがあるが、埋込層４２Ｄを積層後、熱処理を施し、量子ドット４２Ａの埋込層４２Ｄの厚さより高い部分を除去することにより量子ドット４２Ａの高さは埋込層４２Ｄの厚さ以下となる。

熱処理後の埋込層４２Ｄおよび量子ドット４２Ａの上部には、ドーパント４２Ｅが添加され、さらにその上部に上部量子井戸層４２Ｆが積層された後、図１に示した様に中間層４１が積層されている。

本実施形態における各層の具体的な組成例として、量子ドット４２Ａと濡れ層４２ＣとはＩｎＧａＡｓから成り、中間層４１はＡｌＧａＡｓから成り、埋込層４２Ｄと下部量子井戸層４２Ｂと上部量子井戸層４２ＦとはＧａＡｓから成っている。

［製造方法］
次に、図４ならびに図５（ａ）〜（ｆ）をさらに参照して、本発明の実施形態１による赤外線検出器２００の製造方法を説明する。

図４は、赤外線検出器２００を製造する際に用いられる分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置の概略を示している。尚、図４においては、本発明に特徴的な製造方法を説明するために必要な部分のみを記している。

図４に示されるように、半導体基板１として、面方位が（００１）面の半絶縁性ノンドープＧａＡｓ基板を用意し、この基板をＭＢＥ装置の真空チャンバ３００内の基板ホルダ３０１に装着する。基板ホルダ３０１は、ヒータを介して半導体基板１を高温にすることができると共に、供給される原料が原料供給源の位置に拠らず基板上で均一な厚さになるように、半導体基板１を回転方向ｒ３０１に回転させる回転機構が付与されている。第１の原料供給源３０２からはIII族原料であるＩｎが、第２の原料供給源３０３からはIII族原料であるＧａが、第３の原料供給源３０４からはＶ族原料であるＡｓが、それぞれ供給される。以下、特に記載の無い場合には基板回転を行う。

続いて、ＧａＡｓから成る半導体基板１に第３の原料供給源３０４からＶ族原料であるＡｓを照射しながら、この半導体基板１の温度を上昇させることにより、半導体基板上に形成された自然酸化膜を除去する。酸化膜除去処理を行った後、基板温度を５８０℃程度に温度設定し、厚さ５００ｎｍの緩衝層２を積層する。緩衝層２は、半導体基板１と同じノンドープＧａＡｓから構成される。

次に、Ｓｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成されるｎ型の下部コンタクト層３を、厚さが５００ｎｍだけ積層する。

さらに、ノンドープのＡｌＧａＡｓで構成されるｉ型の中間層４１の下部層を、厚さ５０ｎｍだけ積層した後、ノンドープのＧａＡｓから成る下部量子井戸層４２Ｂを積層する。下部量子井戸層４２Ｂの厚さは代表値としては３ｎｍである。

続いて、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、第３の原料供給源３０４からＡｓを照射しながら、第１の原料供給源３０２からＩｎを、第２の原料供給源３０３からはＧａを厚さが２原子層相当となる量だけ供給し、ＩｎＧａＡｓから成る量子ドット４２Ａを形成する（図５（ａ））。このとき、ＩｎＧａＡｓ（量子ドット４２Ａ）とＧａＡｓ（下部量子井戸層４２Ｂ）との格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＧａＡｓ層は２次元薄膜ではなく島状に３次元的に成長する。この成長モードはＳＫ（Stranski-Krastanov）モードと呼ばれ、この様式にしたがって量子ドット４２Ａおよび濡れ層４２Ｃが形成される。その結果、量子ドットが高密度に平面上に並んだ量子ドット４２Ａの層が形成される。量子ドットの典型的な直径は２０〜３０ｎｍ、高さ３〜７ｎｍ程度であり、１平方センチメートルあたりの数密度は１×１０^１１個程度である。

量子ドット４２Ａを成長させた後、ＩｎおよびＧａの供給を停止し基板温度を５０℃程度下げ、埋込層４２Ｄを積層する（図５（ｂ））。本実施形態において、埋込層４２Ｄは厚さが５ｎｍであり、材料はＧａＡｓである。

その後、再び基板温度を少なくとも３０℃以上上げ、Ａｓのみを照射した状態で、基板温度を維持した状態で数分間放置する。尚、この際に適用する温度は、量子ドット４２Ａおよび埋込層４２Ｄがダメージを受けないように選定する。量子ドット４２Ａは高さにばらつきがあるため、幾つかの量子ドットにおいてその頂部は埋込層４２Ｄから突出し、またその突出部分の高さにもばらつきがあるが、本工程により、埋込層４２Ｄから突出している量子ドット４２Ａにおける頭頂部が蒸発、あるいは、水平方向に拡散して平坦化され、その結果、図５（ｃ）に示されるように、量子ドット４４Ａの高さは均一化され、埋込層４２Ｄの厚さに略一致することになる。

続いて、図５（ｄ）に示されるように、埋込層４２Ｄおよび平坦化された量子ドット４２の上部にドーパント４２Ｅのドーピングを行う。ドーパント４２Ｅは例えばＳｉ原子を照射することにより表面に散布し、その散布面密度は量子ドットの面密度Ｎｃｍ^−２に対して本実施形態ではＮ程度である。

次に、図５（ｅ）に示されるように、ドーパント４２Ｅを導入した埋込層４２Ｄの上部に、５ｎｍのＧａＡｓから成る上部量子井戸層４２Ｆを積層した後、基板温度を５８０℃程度に設定し、５０ｎｍのＡｌＧａＡｓから成る上部の中間層４１の上部層を成長する（図５（ｆ））。

以後、光の吸収効率を上げるため、図５（ａ）〜（ｆ）に示された上記の手順と同様にして、中間層４１、下部量子井戸層４２Ｂ、量子ドット４２Ａ、濡れ層４２Ｃ、埋込層４２Ｄおよび成長中断工程、ドーパント４２Ｅ、上部量子井戸層４２Ｆ、中間層４１の積層行程を１０回以上繰り返し、図１に示される光吸収層４を形成する。

次に、光吸収層４の上に、厚さが２００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成されるｎ型の上部コンタクト層５（図１）を積層し、赤外線検出器用ウエハの成長工程を終了する。

続いて、作製した赤外線検出器用ウエハを加工し、図１に示された赤外線検出器２００の基本構成を作製する工程について述べる。作製には、フォトリソグラフィー法、ドライエッチングまたはウエットエッチング法を利用する。まず、ウエハにレジストをスピンコート法により塗布し、フォトリソグラフィー法により素子分離のための例えば正方形パターンを形成する。このパターンをマスクとし、ドライエッチング法もしくはウエットエッチング法により、図１に示されるように上部コンタクト層５、光吸収層４および下部コンタクト層３の途中までエッチングし、下部コンタクト層３の表面の一部を露出させる。

本工程により、各素子が分離され、分離された構造が赤外線検出素子１００の１つになる。各赤外線検出素子１００の受光面の直径は、用途によって異なるが、典型的には２０μｍから３００μｍ程度である。

次いで、上部コンタクト層５と下部コンタクト層３に電極を形成すべくＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから成るアロイオーミック電極を形成し、図１に示されるような上部電極８および下部電極７とする。上部電極８および下部電極７は、それぞれ、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含むリフトオフ法によって形成し、赤外線を透過する窓構造および電極構造を所望の形状で所望の位置に形成する。

以上の工程により、図１に示された、実施形態１による赤外線検出器２００の基本構成が完成する。

尚、上記製造方法においては、量子ドット４２Ａを含む光吸収層やそれらの周辺構造をＭＢＥ法によって形成しているが、成長方法はこの方法に限定されるものではない。たとえば、これらの構造を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いてもよい。また、中間層４１、量子ドット４２Ａ、埋込層４２Ｄ、濡れ層４２Ｃ、下部量子井戸層４２Ｂ、上部量子井戸層４２Ｆなどを含む本発明の材料組成、厚さ、材料構成等は、本発明の効果を満たすものであれば上記に限定されることはない。

［動作原理］
次に、さらに図６を参照して、本発明の実施形態１による赤外線検出器２００の動作原理を説明する。

図６に、複数の量子ドット層４２、中間層４１によって構成される光吸収層４の電子のエネルギーバンド構造を示す。図６における左右方向が図１での上下方向に相当し、図６の左側が下部コンタクト層３側、右側が上部コンタクト層５側を表している。尚、図６は、電圧源６０１からの負バイアス電圧印加時のエネルギーバンド図である。

図６を参照すると、量子力学に基づけば量子ドット層４２に束縛された電子は離散的なエネルギー準位しかとることができない。「基底準位」と「励起準位」のエネルギー差に等しいエネルギーを持った入射赤外光Ｘを基底状態の電子ｅ⁻が吸収すると、電子ｅ⁻は「励起準位」へと遷移する。この「励起準位」への遷移した電子ｅ⁻が「伝導帯連続状態」に抜け出し、上部コンタクト層５に到達することでそれに伴う電流値の変化を検出し、赤外線検出素子として動作する。よって光吸収層４の中の複数の量子ドットのうち、「基底準位」に電子が存在する量子ドットのみが光の吸収に関与する。ドーパントによる電子が量子ドットの周囲にない場合、「励起準位」からの緩和や「伝導帯連続状態」からの捕獲を介して量子ドット層の「基底準位」に電子が導入される。

赤外線検出器２００においては、赤外光Ｘの吸収によって「基底準位」から「励起準位」へ遷移してから「伝導帯連続状態」に抜け出した電子と、予め「励起準位」に存在していて「伝導帯連続状態」に抜け出した電子と、下部コンタクト層３から中間層４１の「伝導帯連続状態」へと流れ込む電子とを区別することができない。暗電流を抑え、高感度な素子を実現するためには下記の動作が望ましい。

・バイアス電圧印加下時に量子ドット層の基底状態のみに電子が導入されていること。
・入射赤外線Ｘのない状態において、素子内部を伝導する電子の数が少ないこと。
・入射赤外線Ｘの吸収に伴い「励起準位」へと遷移してから「伝導帯連続状態」に抜け出した電子が、上部コンタクト層にたどり着くまでに周囲の量子井戸や量子ドット等に再捕獲されることがないこと。

図３は、量子ドット層４２およびその周辺における伝導帯のバンド図の計算結果と電子の量子準位を示した図である。量子井戸層４２Ｂと量子ドット４２Ａ、中間層と量子井戸層の間には歪みが生じるため、異なる材料の境界においてポテンシャルが平坦にならず、図３のように、異なる材料の接合面に近付くほどポテンシャルが高くなっている。したがって、中間層を伝導する電子や上部量子井戸層や下部量子井戸層から量子ドット層の基底準位には電子が導入され難く、バイアス電圧の印加無しに予め基底状態に電子が導入されている。

本発明の構成においては、ドーパントが量子ドットの近傍に添加されるため、ドーパント４２Ｅが量子ドット４２Ａの直上に存在する確率が高い。電子は量子ドット層の基底状態に高確率で導入されるため、入射赤外線Ｘに対し、光を吸収可能な量子ドットの個数が増加し、結果として、素子の受光感度および比検出能が向上する。

図７は、本発明の実施形態１における構造での比検出能の測定結果であり、縦軸が比検出能、横軸が波長である。図中の破線は従来の（Ｓｉ原子ドーピング後に量子ドットの高さの均一化を行った）構造、実線が本発明における構造での測定結果であり、分光感度ピークの波長６．７５μｍにおいて本発明の構造が高い比検出能を有していることが確認される。

［実施形態２］
本発明による赤外線検出素子の実施形態２は、量子ドット層が障壁層を有している点が実施形態１と異なっている。このため、実施形態１と同一または同様の部分については、実施形態１における説明および図面を援用することとし、詳細な説明は省略する。

実施形態１を示す図１を援用的に参照すると、本発明の実施形態２の赤外線検出装置は、図１の本発明の実施形態１による赤外線検出器２００における量子ドット層４２に代えて、図８に示された量子ドット層４２’を有しており、量子ドット層４２’以外は、実施形態１による赤外線検出器２００と同様の構成である。

図８を参照すると、量子ドット層４２’は、複数の量子ドット４２Ａと、濡れ層４２Ｃと、埋込層４２Ｄと、ドーパント４２Ｅと、下部量子井戸層４２Ｂと、上部量子井戸層４２Ｆと、下部障壁層４２Ｇと、上部障壁層４２Ｈとから構成されている。

下部量子井戸層４２Ｂは、下部障壁層４２Ｇ上に積層されており、量子ドット４２Ａは下部量子井戸層４２Ｂの上部に形成されている。量子ドットの下部およびその周囲には濡れ層４２Ｃが形成されている。この濡れ層４２Ｃは、量子ドット４２Ａを形成する過程で付随して自然に形成される。

そして、これらの量子ドット４２Ａ、濡れ層４２Ｃを埋め込む様に、それらの上部に埋込層４２Ｄが積層されている。実施形態１と同様に、最初に形成した段階では量子ドット４２Ａの高さにはばらつきがあるが、埋込層４２Ｄを積層後、熱処理を施し、量子ドット４２Ａの埋込層４２Ｄの厚さより高い部分を除去することにより、量子ドット４２Ａの高さは埋込層４２Ｄの厚さ以下となっている。

熱処理後の埋込層４２Ｄおよび量子ドット４２Ａの上部にはドーパント４２Ｅが添加され、さらにその上部に上部量子井戸層４２Ｆ、その上部に上部障壁層４２Ｈを積層した後、中間層４１が積層されている。

即ち、本発明の実施形態２における量子ドット層４２’は、本発明の実施形態１における各量子ドット層４２’の下部、上部に下部障壁層４２Ｇと上部量子障壁層４２Ｈとが形成された構造である。

本実施形態における各層の具体的な組成例として、量子ドット４２Ａと濡れ層４２ＣとはＩｎＧａＡｓから成り、中間層４１はＡｌＧａＡｓから成り、埋込層４２Ｄと下部量子井戸層４２Ｂと上部量子井戸層４２ＦとはＧａＡｓから成っている。

本発明における各層の具体的な構成例として、各層は、量子ドット４２Ａと濡れ層４２ＣとはＩｎＧａＡｓから成り、中間層４１はＡｌＧａＡｓから成り、埋込層４２Ｄと下部量子井戸層４２Ｂと上部量子井戸層４２ＦとはＧａＡｓから成り、また、下部障壁層４２Ｇと上部障壁層４２ＨとはＡｌＧａＡｓから成っている。中間層４１のＡｌ組成は０．０７、下部障壁層４２Ｇおよび上部障壁層４２ＨのＡｌ組成は０．２である。また、下部障壁層４２Ｇおよび上部障壁層４２Ｈの厚さは、２ｎｍ程度である。

図９に、本発明の実施形態２における量子ドット層４２’およびその周辺における伝導帯のバンドと電子の量子準位の一例を示す。本形態において、下部障壁層４２Ｇおよび上部障壁層４２Ｈの伝導帯のポテンシャルは、中間層４１および下部量子井戸層４２Ｂおよび上部量子井戸層４２Ｆのそれよりも高い。

本実施形態においては、下部障壁層４２Ｇおよび上部障壁層４２Ｈの導入により励起状態の波動関数の閉じ込めが強化されるため、量子ドット１個当たりの光の入射に伴う基底準位から励起準位への電子の励起確率が、実施形態１に比べてさらに向上している。

ただし、中間層から量子井戸層４２Ｂ、４２Ｆおよび量子ドット４２Ａへの電子の注入を障壁層が抑制するため、バイアス電圧印加時における量子ドット層の基底準位への電子の導入がされ難く、素子の受光感度が向上し難いという課題がある。

以上の実施形態の説明から明らかなように、本発明は、平坦化された量子ドットの上部にドーパントが存在し、量子ドット層の基底準位にバイアス電圧の印加無しに電子を導入できる。その結果として、吸収に関与する量子ドットの割合を効率よく増加させ、素子の受光感度を向上させることができる。

本発明は、記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能であることは言うまでもない。

例えば、本発明は、中赤外および中遠赤外領域において高感度な赤外線検出装置に適用できる。また、特定の波長を選択的に受信することが必要となる通信用の受光器といった用途にも適用可能である。

１ 半導体基板
２ 緩衝層
３ 下部コンタクト層
４ 光吸収層
４１ 中間層
４２、４２’ 量子ドット層
４２Ａ 量子ドット
４２Ｂ 下部量子井戸層
４２Ｃ 濡れ層
４２Ｄ 埋込層
４２Ｅ ドーパント
４２Ｆ 上部量子井戸層
４２Ｇ 下部障壁層
４２Ｈ 上部障壁層
５ 上部コンタクト層
７ 上部電極
８ 下部電極
Ｘ 入射赤外線
３００ 真空チャンバ
３０１ 基板ホルダ
３０２ 第１の原料供給源
３０３ 第２の原料供給源
３０４ 第３の原料供給源
６０１ 電圧源
６０２ 電流計

Claims (9)

1. 半導体から成る中間層と、前記中間層中に形成され、複数の量子ドットを含む少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有し、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出素子であって、
   前記量子ドット層は、
   下部量子井戸層と、
   該下部量子井戸層上に成長された前記量子ドットと、
   該量子ドットの周囲に形成された埋込層と、
   該埋込層に添加されたドナー不純物であるドーパント原子と、
   前記埋込層上に形成された上部量子井戸層とから成り、
   前記量子ドットは、その高さが前記埋込層の厚さ以下であり、
   前記ドーパント原子は、前記埋込層および前記量子ドットの上部に存在することを特徴とする赤外線検出素子。
2. 下部障壁層と、上部障壁層とをさらに有し、
   前記下部量子井戸層は、前記下部障壁層の上部に形成され、
   前記上部障壁層は、前記上部量子井戸層の上に形成されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
3. 前記中間層は、ＡｌＧａＡｓから成り、
   前記下部量子井戸層および前記上部量子井戸層は、ＧａＡｓから成り、
   前記埋込層は、ＧａＡｓから成り、
   前記量子ドットは、ＩｎＧａＡｓから成り、
   前記ドナー不純物は、Ｓｉから成る請求項１または２に記載の赤外線検出素子。
4. 前記下部障壁層および前記上部障壁層は、ＡｌＧａＡｓから成る請求項２に記載の赤外線検出素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子を複数素子有し、該複数の赤外線検出素子が１次元または２次元アレイ状に配置されて成る赤外線検出器。
6. 半導体から成る中間層と、前記中間層中に形成され、複数の量子ドットを含む少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有し、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出素子の製造方法であって、
   半導体基板上に、前記中間層の下部層を形成する工程と、
   前記中間層の下部層が形成された半導体基板上に、下部量子井戸層を形成する工程と、
   前記下部量子井戸層上に、複数の量子ドットを成長させる工程と、
   前記量子ドットが成長された下部量子井戸層上に、埋込層を前記量子ドットの上端部が突出する厚さで形成する工程と、
   前記埋込層の表面から突出した前記量子ドットの上端部を、前記埋込層形成工程時よりも高温下に維持して蒸発または水平方向に拡散させることにより、平坦化する工程と、
   平坦化された前記埋込層の表面にドナー不純物であるドーパント原子を添加する工程と、
   前記ドーパント原子が添加された前記埋込層上に、上部量子井戸層を形成する工程と、
   前記上部量子井戸層上に、前記中間層の上部層を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
7. 前記下部量子井戸層形成工程前に、前記中間層の下部層上に、下部障壁層を形成する工程をさらに有すると共に、
   前記中間層の上部層形成工程前に、前記上部量子井戸層上に、上部障壁層を形成する工程をさらに有し、
   前記下部量子井戸層形成工程では、前記下部障壁層を介して、前記中間層の下部層上に前記下部量子井戸層を形成し、
   前記中間層の上部層形成工程では、前記上部障壁層を介して、前記上部量子井戸層上に前記中間層の上部層を形成する請求項６に記載の赤外線検出素子の製造方法。
8. 前記中間層は、ＡｌＧａＡｓから成り、
   前記下部量子井戸層および前記上部量子井戸層は、ＧａＡｓから成り、
   前記埋込層は、ＧａＡｓから成り、
   前記量子ドットは、ＩｎＧａＡｓから成り、
   前記ドナー不純物は、Ｓｉから成る請求項６または７に記載の赤外線検出素子の製造方法。
9. 前記下部障壁層および前記上部障壁層は、ＡｌＧａＡｓから成る請求項７に記載の赤外線検出素子の製造方法。

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