JP7291942B2 - Quantum infrared sensor - Google Patents

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Description

本発明は、量子型赤外線センサに関するものである。 The present invention relates to a quantum infrared sensor.

赤外線センサには焦電型と量子型があり、焦電型赤外線センサは熱で赤外線を感知し室温で動作できるが感度が低いという問題がある。一方、量子型赤外線センサは入射フォトン数に比例して高感度で検出できるが室温での動作が困難であるという課題がある。
量子型赤外線センサが室温で動作することが困難な主な理由としては、量子型赤外線センサでは化合物半導体結晶を用いるために、n型やp型の特性が現れるまで冷却する必要があることと、各種ノイズ成分の中で熱励起ノイズを減らす必要があることである。熱励起ノイズは、温度に対応した熱エネルギーにより価電子バンドから伝導バンドに熱的に励起されるキャリアの数の揺らぎである。熱励起ノイズは温度に対して変化するため、冷却することにより減らすことができる。
There are pyroelectric infrared sensors and quantum infrared sensors. Pyroelectric infrared sensors detect infrared rays by heat and can operate at room temperature, but have the problem of low sensitivity. On the other hand, quantum-type infrared sensors can detect incident photons with high sensitivity in proportion to the number of incident photons, but have the problem that they are difficult to operate at room temperature.
The main reasons why it is difficult for the quantum infrared sensor to operate at room temperature are that the quantum infrared sensor uses a compound semiconductor crystal, so it must be cooled until the n-type or p-type characteristics appear. Among the various noise components is the need to reduce thermally excited noise. Thermally excited noise is the fluctuation of the number of carriers thermally excited from the valence band to the conduction band by thermal energy corresponding to temperature. Thermally induced noise varies with temperature and can be reduced by cooling.

量子型赤外線センサでは、化合物半導体結晶のバンドギャップ(Eg)以上のエネルギー(hc/λ)の赤外線が照射された際に、量子ドット領域内の電子又は正孔の励起(伝導バンドに電子が励起され、価電子バンドに正孔が発生すること)によって生じ、これら電子や正孔のフォトキャリアを、バイアス電圧を印加して光電流として検出することにより赤外線を検知する。検知するターゲットの赤外線の波長域が3~5μmの場合、バンドギャップ(Eg)が約250~400meVである化合物半導体結晶を用いることになるが、室温300Kでの熱エネルギーが約26meVであり、価電子バンドから伝導バンドに熱的に励起されるキャリアによるノイズの影響が決して無視できず、冷却して熱エネルギーを小さくする必要がある。 In a quantum infrared sensor, when irradiated with infrared rays having an energy (hc/λ) higher than the bandgap (Eg) of a compound semiconductor crystal, electrons or holes are excited in the quantum dot region (electrons are excited in the conduction band). Infrared rays are detected by applying a bias voltage to the photocarriers of these electrons and holes and detecting them as photocurrent. When the infrared wavelength range of the target to be detected is 3 to 5 μm, a compound semiconductor crystal having a bandgap (Eg) of about 250 to 400 meV is used. The influence of noise due to carriers thermally excited from the electronic band to the conduction band cannot be ignored, and it is necessary to reduce the thermal energy by cooling.

近年では、量子構造の作製技術が向上し、量子ナノ構造を利用した室温で動作できる量子型赤外線センサの開発が盛んになっており、その用途は、常温で使用する環境モニタ、安全センシング、ガスセンシングなど広く応用が期待されている。 In recent years, quantum structure fabrication technology has improved, and quantum infrared sensors that can operate at room temperature using quantum nanostructures have been actively developed. It is expected to be widely applied to sensing and other applications.

例えば、赤外線の検出感度をより向上させた量子型赤外線センサが知られている(例えば特許文献1を参照)。特許文献1に開示された量子型赤外線センサでは、GaAs、AlGaAs、InGaAlAsなどの中間層と、この中間層に挟まれ、フォトキャリアに対するエネルギーポテンシャルが低いInGa1-xAs(0<x≦1)などの量子ドットを含む量子ドット層により形成される構造を有し、中間層と量子ドットを含む量子ドット層との界面の一方で、かつ、少なくとも量子ドットを覆うようにAlAs層が設けられ、量子ドットと中間層を構成する元素の相互拡散を防止して、量子ドットと中間層の界面を急峻にし、それによって赤外線の検出感度を向上するものである。通常、この量子ドットの構造は、繰り返し積層されることが好ましく、それによって光電流を積層数に応じて増大している。 For example, a quantum infrared sensor with improved infrared detection sensitivity is known (see Patent Document 1, for example). In the quantum infrared sensor disclosed in Patent Document 1, an intermediate layer such as GaAs, AlGaAs, or InGaAlAs and In x Ga 1-x As (0<x≦ 1) has a structure formed by a quantum dot layer containing quantum dots, and an AlAs layer is provided on one side of the interface between the intermediate layer and the quantum dot layer containing quantum dots and to cover at least the quantum dots. It prevents mutual diffusion of the elements forming the quantum dots and the intermediate layer, and sharpens the interface between the quantum dots and the intermediate layer, thereby improving the infrared detection sensitivity. Typically, this quantum dot structure is preferably repeatedly stacked, thereby increasing the photocurrent with the number of layers.

また、ノイズを低減し、S/N比を向上させ信頼性の高い量子型赤外線センサが知られている(例えば特許文献2を参照)。特許文献2に開示された量子型赤外線センサでは、量子ドットを覆うように設けられた、量子ドットの下方の障壁層及び量子ドットの上方の障壁層と、下方の障壁層の更に下方に設けられた中間層を有する構造体が複数積層された構造を有し、上方の障壁層は第1領域と第2領域から成り、第2領域が中間層よりもAl濃度が低いものである。 Also known is a quantum infrared sensor that reduces noise, improves the S/N ratio, and has high reliability (see Patent Document 2, for example). In the quantum infrared sensor disclosed in Patent Document 2, a barrier layer below the quantum dots and a barrier layer above the quantum dots, which are provided to cover the quantum dots, and further below the barrier layer below the quantum dots, The upper barrier layer consists of a first region and a second region, and the second region has a lower Al concentration than the intermediate layer.

特開2009-65142号公報JP 2009-65142 A 特開2019-21706号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-21706

上述の如く、量子型赤外線センサでは、冷却する必要があり、室温動作が困難とされていた。また、光電流を増大し感度を向上すべく、量子ドットの構造を繰り返し積層させ、赤外吸収強度を高めて感度を高めているが、実際のところ量子ドットの構造をあまり沢山積層することは困難であり、赤外吸収強度が十分確保できないといった実情がある。
かかる状況に鑑みて、本発明は、室温で動作でき、赤外線を高感度に検出できる量子型赤外線センサを提供することを目的とする。
As described above, the quantum infrared sensor needs to be cooled, making it difficult to operate at room temperature. In addition, in order to increase the photocurrent and improve the sensitivity, the quantum dot structure is repeatedly stacked to increase the infrared absorption intensity and increase the sensitivity. It is difficult, and there is a fact that sufficient infrared absorption intensity cannot be secured.
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a quantum infrared sensor that can operate at room temperature and detect infrared rays with high sensitivity.

本発明者らは、鋭意研究の結果、化合物半導体のバンドギャップ内遷移のエンジニアリングを通じて、量子ナノ構造に電子のみを有効に閉じ込め、高い光学遷移確率でバンドギャップ内遷移を発生させることに成功した。そして、バンドギャップ内遷移が、近赤外から中赤外域までカバーできることを実証し、本発明を完成するに至ったものである。 As a result of extensive research, the present inventors have succeeded in generating intra-bandgap transitions with high optical transition probability by effectively confining only electrons in a quantum nanostructure through engineering of intra-bandgap transitions in compound semiconductors. Then, it was demonstrated that the intra-bandgap transition can cover from the near-infrared to the mid-infrared region, leading to the completion of the present invention.

本発明の量子型赤外線センサは、n型もしくはp型の何れか又は両方のドープ化合物半導体層に挟まれたアンドープ化合物半導体層を有する赤外線センサであって、アンドープ化合物半導体層は、異種半導体のヘテロ接合で、ターゲットとする赤外線を吸収し得るバンドギャップのバンド内準位を形成する量子ドット領域をヘテロ界面に備える。そして、量子ドット領域によって、フェルミ準位より低い伝導バンドのエネルギー準位が形成される。
フェルミ準位は、電子の存在する確率が50%になる場所であるが、ヘテロ界面において伝導バンドのエネルギー準位がフェルミ準位より低い場合には、ヘテロ界面に沢山の電子を溜めることができる。
ここで、フェルミ準位は、系(ドープ化合物半導体層の不純物濃度や膜厚、またそれらに挟まれたアンドープ化合物半導体層の組成や膜厚などデバイス構造)でユニークに決定されるものである。
The quantum infrared sensor of the present invention is an infrared sensor having an undoped compound semiconductor layer sandwiched between either or both of n-type and p-type doped compound semiconductor layers, wherein the undoped compound semiconductor layer is a hetero semiconductor layer of a different kind of semiconductor. At the junction, the heterointerface is provided with a quantum dot region that forms an intra-band level with a bandgap that can absorb the target infrared radiation. The quantum dot region then forms a conduction band energy level lower than the Fermi level.
The Fermi level is a place where the probability of electrons existing is 50%, but if the energy level of the conduction band at the heterointerface is lower than the Fermi level, a lot of electrons can be accumulated at the heterointerface. .
Here, the Fermi level is uniquely determined by the system (the device structure such as the impurity concentration and film thickness of the doped compound semiconductor layer, and the composition and film thickness of the undoped compound semiconductor layer sandwiched between them).

本発明の量子型赤外線センサでは、アンドープ化合物半導体層のヘテロ界面に量子ドットがあることが重要な特徴であり、このヘテロ界面に沢山の電子を溜めることによって、高感度なセンシングを実現する。
理想的な二次元のヘテロ界面では、バンド内準位間の光学遷移は禁制であるが、ヘテロ界面に量子ドットを設けることによって、この禁制則を崩すことができる。一方、ヘテロ界面が無く、量子ドットを設けただけの構造の場合には、単純に量子ドット領域の積層数を増やさなければ、沢山の電子を溜めることができない。
なお、ヘテロ接合を構成する異なる半導体としては、II-VI族の異種化合物半導体、III-V族の異種化合物半導体、Si系、Ge系、C系などのIV族半導体が挙げられる。
An important feature of the quantum infrared sensor of the present invention is that there are quantum dots at the hetero-interface of the undoped compound semiconductor layer.
In an ideal two-dimensional heterointerface, optical transitions between intraband levels are forbidden, but this prohibition can be broken by providing quantum dots at the heterointerface. On the other hand, in the case of a structure in which there is no heterointerface and only quantum dots are provided, a large number of electrons cannot be accumulated unless the number of layers of the quantum dot regions is simply increased.
The different semiconductors forming the heterojunction include group II-VI heterogeneous compound semiconductors, group III-V heterogeneous compound semiconductors, and group IV semiconductors such as Si-, Ge-, and C-based semiconductors.

また、本発明の量子型赤外線センサにおけるヘテロ接合は、ヘテロ界面を構成する異種半導体のバンドギャップの差がターゲットとする赤外線波長に対応し、かつ、ヘテロ界面に転位が発生しない組成と膜厚である。
ヘテロ接合の設計において、ヘテロ界面を構成する異種半導体のバンドギャップの差がターゲットとする赤外線波長に対応するように、異種半導体を選定する必要がある。加えて、ヘテロ界面に転位が発生しない組成と膜厚にする。ヘテロ界面に転位(結晶欠陥)が発生すると、転位によって作り出されたエネルギー準位において無輻射再結合が生じることから、これがシグナル強度の低下を生み出すことになる。なお、転位が発生しないとは、全く発生しないというのではなく、実質的に転位が発生しないという意味である。
ここで、ヘテロ界面に転位が発生するのは、ヘテロ界面を構成する異種半導体の組成による格子定数の不整合が一つの要因として挙げられるが、それだけでなく、膜厚もまた転位の発生に影響する。すなわち、格子不整合が小さいとしても、膜厚が厚いと転位が発生するし、逆に、格子不整合が大きいとしても膜厚が薄いと転位は発生しない。転位が発生する膜厚は、臨界膜厚と呼ばれ、格子不整合が大きくなるに伴って薄くなる。ヘテロ接合の設計においては、ヘテロ界面に転位が発生しない組成と膜厚にすることが重要である。
なお、膜厚を変えると、空間電荷数が変わるのでフェルミ準位も変化する。従って、ヘテロ接合を有するデバイスの設計をする上で、膜厚の制御は、歪の制御とフェルミ準位の制御の2つの面を有しており、デバイス設計ごとに膜厚の最適化を行うことが必要である。
In addition, the heterojunction in the quantum infrared sensor of the present invention has a composition and film thickness in which the difference in the band gaps of the heterogeneous semiconductors forming the heterointerface corresponds to the target infrared wavelength, and dislocations do not occur at the heterointerface. be.
In designing a heterojunction, it is necessary to select dissimilar semiconductors so that the difference in bandgap between the dissimilar semiconductors forming the heterointerface corresponds to the target infrared wavelength. In addition, the composition and film thickness are such that dislocations do not occur at the hetero interface. When dislocations (crystal defects) occur at heterointerfaces, non-radiative recombination occurs in the energy levels created by the dislocations, resulting in a decrease in signal intensity. It should be noted that the phrase "no dislocations occur" does not mean that dislocations do not occur at all, but means that dislocations do not substantially occur.
Here, one of the factors that causes dislocations to occur at the hetero-interface is the lattice constant mismatch due to the composition of the dissimilar semiconductor that constitutes the hetero-interface. do. That is, even if the lattice mismatch is small, dislocations are generated when the film thickness is large, and conversely, dislocations are not generated when the film thickness is thin even if the lattice mismatch is large. The film thickness at which dislocations occur is called the critical film thickness, which decreases as the lattice mismatch increases. In designing a heterojunction, it is important to select a composition and film thickness that do not generate dislocations at the heterointerface.
Note that when the film thickness is changed, the number of space charges changes, so the Fermi level also changes. Therefore, in designing a device having a heterojunction, film thickness control has two aspects: strain control and Fermi level control, and the film thickness is optimized for each device design. It is necessary.

量子型赤外線センサにおけるアンドープ化合物半導体層(以下、i層ともいう)は、n型ドープ化合物半導体層(以下、n層ともいう)とp型ドープ化合物半導体層(以下、p層ともいう)の何れかで挟まれる構造、すなわち、n層-i層-n層、p層-i層-p層、n層-i層-p層、p層-i層-n層の何れかの構造を成す。好ましくは、フェルミ準位を制御するn層にi層が挟まれる態様である。 The undoped compound semiconductor layer (hereinafter also referred to as i-layer) in the quantum infrared sensor is either an n-type doped compound semiconductor layer (hereinafter also referred to as n-layer) or a p-type doped compound semiconductor layer (hereinafter also referred to as p-layer). n-layer-i-layer-n-layer, p-layer-i-p-layer, n-layer-i-p-layer, or p-layer-i-n-layer . Preferably, the i-layer is sandwiched between the n-layers that control the Fermi level.

本発明の量子型赤外線センサにおいて、量子ドット領域は、単層乃至複数層で構成され、厚みが50nm以下である。従来知られた量子型赤外線センサでは、幾層もの量子ドット領域を積層しなければ、検知感度が上がらなかったが、本発明の量子型赤外線センサでは量子ドット領域が単層であっても十分な感度が得られる。 In the quantum infrared sensor of the present invention, the quantum dot region is composed of a single layer or multiple layers and has a thickness of 50 nm or less. In conventionally known quantum infrared sensors, the detection sensitivity was not increased unless several layers of quantum dot regions were laminated. Sensitivity is obtained.

本発明の量子型赤外線センサにおいて、ヘテロ接合は、III-V族化合物半導体で構成され、量子ドット領域はInAs,InSb,InGaAs,GaSb,Ge又はHgCdTeの何れかの量子ドットで形成されることが好ましい態様である。 In the quantum infrared sensor of the present invention, the heterojunction may be composed of a III-V group compound semiconductor, and the quantum dot region may be composed of quantum dots of InAs, InSb, InGaAs, GaSb, Ge or HgCdTe. This is a preferred embodiment.

本発明の量子型赤外線センサにおいて、アンドープ化合物半導体層は、具体的には、AlaGa1-aAs(0<a≦1)とGaAsのヘテロ接合であり、量子ドット領域はInAsの量子ドットで形成される。かかるアンドープ化合物半導体層の構成の場合には、ターゲットとする赤外線が1~14μmの波長範囲である。ターゲットとする赤外線が1~7μmの波長範囲とすることもできる。 In the quantum infrared sensor of the present invention, the undoped compound semiconductor layer is specifically a heterojunction of AlaGa1 -aAs (0<a≤1) and GaAs, and the quantum dot region is an InAs quantum dot. formed by In the case of such an undoped compound semiconductor layer structure, the target infrared rays are in the wavelength range of 1 to 14 μm. The target infrared rays may be in the wavelength range of 1 to 7 μm.

本発明の量子型赤外線センサは、低温で動作するのみならず、室温であっても動作可能である。本発明の量子型赤外線センサでは、一つのヘテロ界面に大量の電子を溜めて、それを赤外光によって、量子ドット領域に形成されるバンド内準位に励起させることを特徴としている。そのため、いったんヘテロ界面から抜け出すと光電流として検出できる。また、バルクのヘテロ界面の状態密度は、量子ドットの状態密度に比べて桁違いに大きい。本発明の量子型赤外線センサでは、状態密度が非常に大きいヘテロ界面に蓄積できる高密度な電子を利用する。
一方、従来の量子型赤外線センサのように、ヘテロ界面の高密度な電子を利用するのではなく、通常の量子ドットを多層に積層するものでは、量子ドットの積層数に応じてバンド内準位に励起されるキャリア数は増えるが、同時に伝導方向に続いている量子ドットによる再捕獲があり、ロスが大きい構造になっている。このため、従来の量子型赤外線センサでは、室温動作における高感度の実現は困難なのである。
The quantum infrared sensor of the present invention can operate not only at low temperatures but also at room temperature. The quantum infrared sensor of the present invention is characterized by accumulating a large amount of electrons in one hetero-interface and exciting them to an intra-band level formed in the quantum dot region by infrared light. Therefore, once it escapes from the heterointerface, it can be detected as a photocurrent. In addition, the density of states at the bulk heterointerface is much larger than that of quantum dots. The quantum infrared sensor of the present invention utilizes high-density electrons that can be accumulated in heterointerfaces with a very high density of states.
On the other hand, in conventional quantum infrared sensors, in which ordinary quantum dots are stacked in multiple layers instead of using high-density electrons at heterointerfaces, the intra-band level changes according to the number of quantum dot stacks. Although the number of carriers excited in the direction increases, at the same time there is recapture by the quantum dots continuing in the conduction direction, resulting in a structure with a large loss. For this reason, it is difficult for conventional quantum infrared sensors to achieve high sensitivity at room temperature.

本発明の量子型赤外線センサを用いた撮像素子は、上述した本発明の量子型赤外線センサと、かかる赤外線センサを駆動する駆動回路を備える。 An imaging device using the quantum infrared sensor of the present invention includes the quantum infrared sensor of the present invention described above and a drive circuit for driving the infrared sensor.

本発明の量子型赤外線センサの製造方法は、以下の1)、2)のステップを備える。
1)ヘテロ界面を構成する異種半導体のバンドギャップの差がターゲットとする赤外線波長に対応し、かつ、ヘテロ界面に転位が発生しない異種半導体の組成と膜厚を選定するステップ。
2)ターゲットとする赤外線を吸収し得るバンドギャップのバンド内準位を形成し、かつ、フェルミ準位より低い伝導バンドのエネルギー準位を形成する量子ドット領域を、ヘテロ界面に形成するステップ。
The manufacturing method of the quantum infrared sensor of the present invention comprises the following steps 1) and 2).
1) A step of selecting a composition and a film thickness of the hetero-semiconductor that composes the hetero-interface so that the difference in the bandgap of the hetero-semiconductor corresponds to the target infrared wavelength and that dislocations do not occur at the hetero-interface.
2) A step of forming a quantum dot region at the heterointerface that forms an intra-band level of a bandgap capable of absorbing target infrared radiation and an energy level of a conduction band lower than the Fermi level.

本発明の量子型赤外線センサによれば、室温で動作でき、ターゲットとする赤外線を高感度で検出できるといった効果がある。 Advantageous Effects of Invention The quantum infrared sensor of the present invention can operate at room temperature and can detect target infrared rays with high sensitivity.

実施例1の量子型赤外線センサの概略構成図Schematic configuration diagram of the quantum infrared sensor of Example 1 実施例1の量子型赤外線センサの構成説明図Explanatory drawing of the configuration of the quantum infrared sensor of the first embodiment 実施例1の量子型赤外線センサにおけるバンド図と電界分布図Band diagram and electric field distribution diagram in the quantum infrared sensor of Example 1 実施例1の量子型赤外線センサのヘテロ界面のバンド状態の説明図Explanatory diagram of the band state of the hetero interface of the quantum infrared sensor of Example 1 実施例1の量子型赤外線センサのバンド状態の説明図Explanatory drawing of the band state of the quantum infrared sensor of Example 1 各種バイアス電圧の違いに伴うバンド状態の変化の説明図Explanatory diagram of changes in band state due to differences in various bias voltages 赤外線センサの回路図Infrared sensor circuit diagram 実施例1の量子型赤外線センサの赤外光応答スペクトルInfrared light response spectrum of the quantum infrared sensor of Example 1 異なるバイアス電圧を印加した際の暗電流を示すグラフGraph showing dark current with different bias voltages バイアス電圧の違いによる各種温度におけるΔJ/PスペクトルΔJ/P spectra at various temperatures with different bias voltages 異なるバイアス電圧下での光電流(ΔI)及びΔI/Iを示すグラフGraph showing photocurrent (ΔI) and ΔI/I under different bias voltages バイアス電圧下でのΔIの赤外光出力密度依存性を示すグラフGraph showing infrared light output density dependence of ΔI under bias voltage 295Kと15Kにおける赤外光応答スペクトルInfrared response spectrum at 295K and 15K

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 An example of an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many modifications and variations are possible.

図1は、本発明の一実施形態における量子型赤外線センサの概略構成図を示している。図1に示すように、本発明の量子型赤外線センサ1は、n型ドープ化合物半導体層2とn型ドープ化合物半導体層3と、それらに挟まれたアンドープ化合物半導体層4と、電極5を備えた構造を有する。アンドープ化合物半導体層4が、異種半導体のヘテロ接合で構成されており、ヘテロ界面6に量子ドット領域7を備えることが特徴である。n型ドープ化合物半導体層3の下部には半導体基板8があり、その下に裏面電極52がある。また、n型ドープ化合物半導体層2の上部には電極51があり、上方から入射する赤外光のエネルギーをアンドープ化合物半導体層4で変換し、光電流として検出する。
アンドープ化合物半導体層4の量子ドット領域7では、赤外光により励起された電子が、量子ドットの井戸から抜け出し、ヘテロ界面6に沢山の電子が溜まり、それらを光電流として取り出すことができる。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a quantum infrared sensor in one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a quantum infrared sensor 1 of the present invention comprises an n-type doped compound semiconductor layer 2, an n-type doped compound semiconductor layer 3, an undoped compound semiconductor layer 4 sandwiched between them, and an electrode 5. structure. The undoped compound semiconductor layer 4 is composed of a heterojunction of different kinds of semiconductors, and is characterized in that the heterointerface 6 is provided with the quantum dot region 7 . Underneath the n-type doped compound semiconductor layer 3 is a semiconductor substrate 8, under which a backside electrode 52 is located. An electrode 51 is provided on the upper portion of the n-type doped compound semiconductor layer 2, and the energy of infrared light incident from above is converted by the undoped compound semiconductor layer 4 and detected as a photocurrent.
In the quantum dot region 7 of the undoped compound semiconductor layer 4, electrons excited by infrared light escape from the quantum dot wells, and many electrons accumulate at the hetero interface 6, which can be taken out as photocurrent.

実施例1の赤外線センサのデバイスの具体的な構成について説明する。
実施例1の赤外線センサは、図2に示すように、n-i-n構造を有し、n型ドープ化合物半導体層2としてn-Al0.3Ga0.7As、n型ドープ化合物半導体層3としてn-GaAs、アンドープ化合物半導体層4として、Al0.3Ga0.7AsとGaAsのヘテロ接合がなされ、ヘテロ界面6にはInAsの量子ドットの量子ドット領域7が形成されている。n-i-n構造の膜厚、キャリア密度、量子ドット濃度については、図2の模式図の中に示している。n-i-n構造は、n-GaAs半導体基板8の上に順に積層されており、上面と下面には、それぞれ電極5が設けられている。実施例1では、量子ドット領域7は単層であるが、複数の量子ドット領域7が積層されるものでも構わない。
A specific configuration of the infrared sensor device of Example 1 will be described.
The infrared sensor of Example 1 , as shown in FIG. A heterojunction of Al 0.3 Ga 0.7 As and GaAs is formed as the + −GaAs, undoped compound semiconductor layer 4 , and a quantum dot region 7 of InAs quantum dots is formed at the hetero interface 6 . The film thickness, carrier density, and quantum dot density of the nin structure are shown in the schematic diagram of FIG. The nin structure is stacked in order on an n-GaAs semiconductor substrate 8, and electrodes 5 are provided on the top and bottom surfaces, respectively. In Example 1, the quantum dot region 7 is a single layer, but a plurality of quantum dot regions 7 may be laminated.

図3は、作製した赤外線センサのデバイス表面に、バイアス電圧0Vで300Kにおけるバンド図(図3a;上図)と、赤外線センサのデバイス表面に-1V、0V及び1Vのバイアス電圧を印加したときの電界分布(図3b;下部)を示している。
図3下側に示すように、ヘテロ界面付近では内部電界が強く、励起電子はAl0.3Ga0.7Asのバリア側に引き抜かれやすい。効率的なバンド内遷移は、任意の方向からの光に対する感度とヘテロ界面での三次元電子閉じ込めを有する量子ドット領域7(以下、QD層ともいう)を挿入することによって生じさせることができる。
FIG. 3 shows the band diagram at 300 K with a bias voltage of 0 V on the device surface of the fabricated infrared sensor (FIG. 3 a; upper diagram), and when bias voltages of −1 V, 0 V and 1 V are applied to the device surface of the infrared sensor. The electric field distribution (Fig. 3b; bottom) is shown.
As shown in the lower part of FIG. 3, the internal electric field is strong in the vicinity of the heterointerface, and excited electrons are likely to be pulled out to the barrier side of Al 0.3 Ga 0.7 As. Efficient intra-band transitions can be generated by inserting quantum dot regions 7 (hereinafter also referred to as QD layers) that have sensitivity to light from arbitrary directions and three-dimensional electron confinement at the heterointerface.

実施例1の赤外線センサのデバイスの製造方法について説明する。
実施例1の赤外線センサのデバイスは、固体源の分子線エピタキシーを用いてn-GaAs(001)基板上に製造されたものである。まず、厚さ400nmのn-GaAs層をバッファ層として上記基板上に結晶成長させた。結晶成長中は、赤外線高温計を用いて基板温度のモニタリングを行った。その後、n-GaAs層のバッファ層の上に、アンドープ化合物半導体層として、厚さ300nmのGaAsを堆積し、QD層を形成し、さらにGaAsを10nm堆積し、厚さ20nmのAl0.3Ga0.7Asを堆積し、Al0.3Ga0.7As/GaAsのヘテロ結合の化合物半導体の構造を有する真性キャリア層を作製した。
InAsの公称厚さは0.64nm(2.1単層)であった。InAsの量子ドットを成膜する前の基板温度は550℃である。InAsのQD層とそれに続く10nmのGaAsキャッピング層を490℃で成長させた。最後に、コンタクト層として、n-Al0.3Ga0.7As、n-GaAs層を基板温度500℃で成長させた。Asフラックスのビーム換算圧力は1.15×10-3Paであった。次に、Au-Ge/Au電極を上面と下面にそれぞれ形成した。
A method of manufacturing the infrared sensor device of Example 1 will be described.
The infrared sensor device of Example 1 was fabricated on an n + -GaAs(001) substrate using solid source molecular beam epitaxy. First, a 400 nm-thick n + -GaAs layer was crystal-grown on the substrate as a buffer layer. During crystal growth, the substrate temperature was monitored using an infrared pyrometer. Thereafter, on the buffer layer of the n + -GaAs layer, GaAs with a thickness of 300 nm is deposited as an undoped compound semiconductor layer to form a QD layer, GaAs is further deposited with a thickness of 10 nm, and Al 0.3 Ga 0.7 with a thickness of 20 nm is deposited. As was deposited to form an intrinsic carrier layer having a heterojunction compound semiconductor structure of Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs.
The nominal thickness of InAs was 0.64 nm (2.1 monolayers). The substrate temperature is 550° C. before forming the InAs quantum dots. An InAs QD layer followed by a 10 nm GaAs capping layer was grown at 490°C. Finally, an n-Al 0.3 Ga 0.7 As, n + -GaAs layer was grown at a substrate temperature of 500° C. as a contact layer. The beam equivalent pressure of As 2 flux was 1.15×10 −3 Pa. Next, Au--Ge/Au electrodes were formed on the upper and lower surfaces, respectively.

作製した試料表面は、図3では位置=0nmとして定義され、Al0.3Ga0.7Asバリアの高さは約230meVである。正(負)のバイアスが印加されると、赤外光によって励起された電子は、n-Al0.3Ga0.7As(GaAs)側にドリフトする。ヘテロ界面(位置=400nm)では、図中の破線で示す電子のフェルミ準位(E)は、伝導バンドの底準位(E)よりも高く、これは電子が高密度で存在していることを示している。図4には、図3上側のバンド図におけるヘテロ界面(位置=400nm)の部分を拡大して示すが、量子ドット領域によって、フェルミ準位(E)より低い伝導バンドのエネルギー準位(E)が形成されている。この部分に大量に電子が溜まることになる。この位置において、バイアス電圧0Vの場合、伝導バンドの底準位(E)-電子のフェルミ準位(E)=-0.0014(eV)であり、電子のキャリア密度は、3.5×1017cm-3である。 The fabricated sample surface is defined in FIG. 3 as position=0 nm and the Al 0.3 Ga 0.7 As barrier height is about 230 meV. When a positive (negative) bias is applied, electrons excited by infrared light drift to the n-Al 0.3 Ga 0.7 As (GaAs) side. At the heterointerface (position = 400 nm), the electron Fermi level (E F ) indicated by the dashed line in the figure is higher than the bottom level (E C ) of the conduction band, which is due to the high density of electrons. indicates that there is FIG. 4 shows an enlarged view of the heterointerface (position=400 nm) in the upper band diagram of FIG . C ) is formed. A large amount of electrons are accumulated in this portion. At this position, when the bias voltage is 0 V, the bottom level of the conduction band (E C )−the Fermi level of the electron (E F )=−0.0014 (eV), and the electron carrier density is 3.5. ×10 17 cm −3 .

図5は、バンド図の表示向きを変えて、模式図の位置と合せて表記したものである。ヘテロ界面(位置=400nm)にInAsの量子ドットがドープされた箇所で、急峻にバンドギャップが変化し、フェルミ準位(E)より低い伝導バンドのエネルギー準位(E)が形成されることで、このヘテロ界面にキャリア電子を大量に溜めることができるため、光電流量を増やすことができ、感度を高めることができる。
図6は、実施例1のバイアス電圧(+1V,-1V)下でのバンド状態の変化を示している。図中の破線は電子のフェルミ準位(E)を、伝導バンドの底準位(E)又は価電子バンドの準位(E)を示している。
In FIG. 5, the orientation of the band diagram is changed, and the positions of the schematic diagrams are combined. At the hetero interface (position = 400 nm) where InAs quantum dots are doped, the bandgap changes sharply and the conduction band energy level (E C ) lower than the Fermi level (E F ) is formed. As a result, a large amount of carrier electrons can be accumulated in this hetero-interface, so that the amount of light can be increased and the sensitivity can be enhanced.
FIG. 6 shows changes in band states under bias voltages (+1 V, -1 V) in Example 1. FIG. The dashed lines in the figure indicate the Fermi level of electrons (E F ), the bottom level of the conduction band (E C ), or the level of the valence band (E V ).

赤外線センサのデバイスにバイアス電圧を印加し、デバイスに対して赤外線を入射させた際に発生する光電流を検出する回路について、図7に示す。デバイスから出力される光電流量を測定し、赤外線を検知する。 FIG. 7 shows a circuit for applying a bias voltage to a device of an infrared sensor and detecting a photocurrent generated when infrared rays are incident on the device. It measures the photocurrent output from the device and detects infrared rays.

図8は、室温(295K)における実施例1の赤外線センサのデバイスの赤外光応答スペクトルを示す。図8からわかるように、実施例1の赤外線センサのデバイスでは、ヘテロ構造でのバンド内遷移に対応して、3μm、4.5μm、6.5μm付近に3箇所のピークがスペクトルに現れている。従来の赤外線センサの赤外光応答スペクトルの場合、1~5μmの短波長ないし中波長の赤外線の入射による光電流量が少なかったが、実施例1の赤外線センサのデバイスの場合には、短波長ないし中波長の赤外線の入射による光電流量が約10倍に増大し、赤外線の検出感度が10倍程度向上している。 FIG. 8 shows the infrared photoresponse spectrum of the infrared sensor device of Example 1 at room temperature (295K). As can be seen from FIG. 8, in the infrared sensor device of Example 1, three peaks appear in the spectrum near 3 μm, 4.5 μm, and 6.5 μm, corresponding to intraband transitions in the heterostructure. . In the case of the infrared photoresponse spectrum of the conventional infrared sensor, the photocurrent due to the incidence of short to medium wavelength infrared rays of 1 to 5 μm was small. The amount of photocurrent due to the incidence of infrared rays of medium wavelength is increased by about ten times, and the detection sensitivity of infrared rays is improved by about ten times.

図9は、図2の模式図に示される赤外線センサのデバイスにおける15Kと290Kの異なるバイアス電圧での暗電流を示している。デバイス表面に電圧を印加すると、電子はそれぞれ正(負)のバイアスでAl0.3Ga0.7As(GaAs)側から引き出され、電流を生成する。 FIG. 9 shows the dark current at different bias voltages of 15K and 290K for the infrared sensor device shown in the schematic diagram of FIG. When a voltage is applied to the device surface, electrons are drawn from the Al 0.3 Ga 0.7 As (GaAs) side with a positive (negative) bias, respectively, generating current.

次に、Al0.3Ga0.7Asのバッファ層(障壁層)の電子に対する影響を確認するために、波長700~1000nmにおける光応答の温度依存性を測定した。図10は、±1Vにおける光学応答ΔI/Pの温度依存性の結果を示す。ここで、ΔIは光電流を表し、Pは光強度を表している。この波長におけるGaAsとInAsの濡れ層の吸収端を確認できた。
すなわち、-1Vにおいて、GaAsのバンド間遷移によって励起された電子は、電界によって電極に到達する。低温では、GaAsの吸収端は比較的急峻である。温度が上昇すると、吸収端がシフトし、InAsの濡れ層に起因するギャップ以下の状態がはっきりと現れる。バイアス電圧1V、室温付近で、GaAsの吸収端が観測されるが、極低温ではそれははっきりと観測されない。このことは、GaAsで励起された電子がAl0.3Ga0.7Asの障壁によってブロックされ、したがって低温での電流のために外部に引き出すことができないことを示している。
その結果、電界によるキャリア引出しが少なくなり、ヘテロ界面に電子が高密度に分布することが予想される。160Kを超えると、GaAsの吸収端は、温度の上昇につれて徐々に現れる。いくつかの電子は熱励起の影響で取り出される。これらの結果から、本実施例の赤外線センサのデバイスのn-i-n層構造におけるAl0.3Ga0.7Asの障壁の効果と、バイアス電圧の正負を変えることによる電子の取り出し方の違いが明らかになった。
Next, in order to confirm the effect of the buffer layer (barrier layer) of Al 0.3 Ga 0.7 As on electrons, the temperature dependence of photoresponse at wavelengths of 700 to 1000 nm was measured. FIG. 10 shows the results of the temperature dependence of the optical response ΔI/P at ±1V. Here, ΔI represents the photocurrent and P represents the light intensity. Absorption edges of wetting layers of GaAs and InAs at this wavelength were confirmed.
That is, at −1 V, electrons excited by the interband transition of GaAs reach the electrode due to the electric field. At low temperatures, the absorption edge of GaAs is relatively steep. As the temperature increases, the absorption edge shifts and the sub-gap state due to the wetting layer of InAs appears clearly. At a bias voltage of 1 V and around room temperature, the absorption edge of GaAs is observed, but it is not clearly observed at cryogenic temperatures. This indicates that electrons excited in GaAs are blocked by the Al 0.3 Ga 0.7 As barrier and therefore cannot be drawn out due to current flow at low temperatures.
As a result, the extraction of carriers by the electric field is reduced, and electrons are expected to be densely distributed at the hetero-interface. Above 160 K, the GaAs absorption edge appears gradually with increasing temperature. Some electrons are extracted under the influence of thermal excitation. These results clearly show the effect of the Al 0.3 Ga 0.7 As barrier in the nin layer structure of the infrared sensor device of this example, and the difference in how electrons are extracted by changing the positive or negative bias voltage. became.

次に、バンド内遷移による赤外光のレスポンスについて説明する。
1319nmの波長を有する固体レーザーを使用してバンド内遷移を引き起こし、290Kで異なるバイアス電圧での光電流の光強度依存性を測定した結果について、図11(1)(2)の上側のグラフに示す。レーザースポットサイズは、約0.012cmであった。光電流は、正および負の両方について、光強度およびバイアス電圧の増加と共に増加した。図11(1)(2)の下側のグラフは、ΔI/Iのバイアス依存性を示している。△I/Iは全電流に対する光電流の比を表す。△I/Iは、±0.2Vにピークを有する。電圧を印加することによって、励起されたキャリア電子の引出しが増加する。
Next, the infrared light response due to intra-band transition will be described.
A solid-state laser with a wavelength of 1319 nm was used to induce an intraband transition, and the light intensity dependence of the photocurrent was measured at 290 K with different bias voltages. show. The laser spot size was approximately 0.012 cm 2 . The photocurrent increased with increasing light intensity and bias voltage, both positive and negative. The lower graphs of FIGS. 11(1) and 11(2) show the bias dependence of ΔI/I. ΔI/I represents the ratio of photocurrent to total current. ΔI/I has a peak at ±0.2V. By applying a voltage, extraction of excited carrier electrons is increased.

一方、ある電界を超えると、電界によるキャリア引出しによる電流が支配的になり、△I/Iが減少する。つまり、バイアス電圧±0.2Vが電界により最も効率よく励起されたキャリア電子を引き抜くことができることが示された。図12は、290Kおよび15KにおけるΔJの赤外光-励起パワー依存性を示す。励起パワーと共に増加する励起キャリア電子は、増加した電場によって効果的に引き出される。各温度における結果を比較すると、暗電流は、図9と比較して変化したが、光電流はほぼ同じであり、赤外光の照射によって観察された光電流は、熱アーチファクトによるものではないことを示している。 On the other hand, when the electric field exceeds a certain electric field, the current due to carrier extraction by the electric field becomes dominant, and ΔI/I decreases. In other words, it was shown that the bias voltage of ±0.2 V can extract the carrier electrons excited by the electric field most efficiently. FIG. 12 shows the infrared light-pump power dependence of ΔJ at 290K and 15K. Excited carrier electrons, which increase with excitation power, are effectively extracted by the increased electric field. Comparing the results at each temperature, the dark current changed compared to FIG. 9, but the photocurrent was almost the same, suggesting that the photocurrent observed by irradiation with infrared light was not due to thermal artifacts. is shown.

次に、PLスペクトルを測定し、295Kでの量子準位を計算すると、InAs量子ドットの基底準位E(=1.042eV)を基準にして、各励起準位と基底準位のエネルギー差は、E-E=65meV、E-E=128meVおよびE-E=198meVであった。 Next, when the PL spectrum is measured and the quantum level at 295 K is calculated, the energy difference between each excitation level and the ground level is were E 1 −E 0 =65 meV, E 2 −E 0 =128 meV and E 3 −E 0 =198 meV.

また、295Kと15Kにおける短波長赤外線(1.0~1.8μm)および中波長赤外線(1.8~7.0μm)に対する実施例1の赤外線センサのデバイスの赤外光応答スペクトルを図13に示す。励起用に320mmシングルモノクロメータによって分散されたSiCランプを用いた。ヘテロ構造でのバンド内遷移に対応する幾つかのピークがスペクトルに現れるため、実施例1の赤外線センサのデバイスは、室温でも中波長赤外線に非常に敏感であることがわかる。図13に示すように、295Kと15Kの何れの場合においても、3μm、4.5μm、6.5μm付近に3箇所のピークが観察された。特に、3μmと6.5μmの付近にブロードなピークが現れた。最大感度は0.62A/Wであった。3μm付近のピークは、各バイアスでの量子ドットのエネルギー準位(E、E)からAl0.3Ga0.7As(GaAs)伝導バンド端へのバンド内遷移から生じたものである。さらに、6.5μm付近のピークは、ヘテロ界面で形成された閉じ込め状態から1VでのAl0.3Ga0.7Asの伝導バンド端へのバンド内遷移から派生したものである。表面付近では、GaAs伝導バンド端をAl0.3Ga0.7Asの伝導バンド端に遷移させる。6.5μm付近のスペクトルの低下は、HOによる吸収によるものである。 FIG. 13 shows the infrared response spectrum of the infrared sensor device of Example 1 for short wavelength infrared rays (1.0 to 1.8 μm) and medium wavelength infrared rays (1.8 to 7.0 μm) at 295 K and 15 K. show. A SiC lamp dispersed by a 320 mm single monochromator was used for excitation. It can be seen that the infrared sensor device of Example 1 is very sensitive to medium wavelength infrared radiation even at room temperature, as several peaks appear in the spectrum corresponding to intraband transitions in the heterostructure. As shown in FIG. 13, three peaks were observed near 3 μm, 4.5 μm and 6.5 μm at both 295K and 15K. In particular, broad peaks appeared near 3 μm and 6.5 μm. The maximum sensitivity was 0.62 A/W. The peak around 3 μm results from an intraband transition from the quantum dot energy levels (E 0 , E 1 ) to the Al 0.3 Ga 0.7 As (GaAs) conduction band edge at each bias. Furthermore, the peak around 6.5 μm is derived from the intraband transition from the confined state formed at the heterointerface to the conduction band edge of Al 0.3 Ga 0.7 As at 1 V. Near the surface, the GaAs conduction band edge transitions to that of Al 0.3 Ga 0.7 As. The dip in the spectrum near 6.5 μm is due to absorption by H2O .

本発明の赤外線センサは、高温での赤外光検出用にAl0.3Ga0.7As/GaAsのヘテロ界面に挿入された量子ドットで増感された新しいタイプの赤外光センサである。上述の光電変換特性に示すように、バイアス電圧が正か負であるかに応じて、ヘテロ構造による電子の抽出方法の違いが示される。表面に正のバイアスが印加されると、Al0.3Ga0.7Asの障壁が電子をブロックするので、電子は高密度に分布する。それ故、効率的な赤外線吸収が期待できる。また赤外光の応答測定では、295Kで約3μmと6.5μm、特に、1Vで約6.5μmの最大光学応答0.62A/Wに明確なピークが観測され、本発明の赤外線センサのAl0.3Ga0.7As/GaAsのヘテロ界面に量子ドットを挿入した構造が、室温でも動作可能で高感度な赤外線センサとして機能することが示された。 The infrared sensor of the present invention is a new type of infrared light sensor sensitized with quantum dots intercalated into Al 0.3 Ga 0.7 As/GaAs heterointerfaces for infrared light detection at high temperatures. As shown in the photoelectric conversion characteristics described above, the difference in the method of extracting electrons by the heterostructure is shown depending on whether the bias voltage is positive or negative. When a positive bias is applied to the surface, the electrons are densely distributed because the Al 0.3 Ga 0.7 As barrier blocks them. Therefore, efficient infrared absorption can be expected. Further, in the measurement of the infrared light response, a clear peak was observed at a maximum optical response of 0.62 A/W at about 3 μm and 6.5 μm at 295 K, and particularly at about 6.5 μm at 1 V. It was shown that a structure in which quantum dots are inserted into the 0.3 Ga 0.7 As/GaAs heterointerface functions as a highly sensitive infrared sensor that can operate even at room temperature.

(その他の実施例)
(1)実施例1では、アンドープ化合物半導体層(i層)が、n型ドープ化合物半導体層(n層)に挟まれたn-i-nの構成であるが、これに限定されるものではなく、i型層がp型ドープ化合物半導体層(p層)に挟まれるp-i-pの構成、又は、赤外線の入射方向から順に、n層、i層、p層のn-i-pの構成、或は、p層、i層、n層のp-i-nの構成であっても構わない。
(2)実施例1では、ヘテロ界面の量子ドット領域は単層であるが、複数の量子ドット領域7を積層し多層にすることができる。
(3)実施例1では、ヘテロ界面にInAsの量子ドットを形成したが、他のナローバンドギャップ半導体のInSb、InAsSb、GaSb、Ge又はHgCdTeの量子ドットを形成することができる。
(4)実施例1では、アンドープ化合物半導体層(i層)として、AlGaAs/GaAsのヘテロ接合を用いたが、他のIII-V族の半導体、又は、II-VI族の半導体、Si系、Ge系、C系などのIV族半導体を用いることができる。
(Other examples)
(1) In Example 1, the undoped compound semiconductor layer (i-layer) has a nin configuration sandwiched between n-type doped compound semiconductor layers (n-layers), but is not limited to this. pi-p configuration in which the i-type layer is sandwiched between p-type doped compound semiconductor layers (p-layers), or n-layer, i-layer, and p-layer nip in order from the incident direction of infrared rays or a pin structure of p-layer, i-layer and n-layer.
(2) In Example 1, the quantum dot region of the heterointerface is a single layer, but a plurality of quantum dot regions 7 can be laminated to form a multilayer.
(3) In Example 1, InAs quantum dots were formed at the heterointerface, but quantum dots of other narrow bandgap semiconductors InSb, InAsSb, GaSb, Ge or HgCdTe can be formed.
(4) In Example 1, an AlGaAs/GaAs heterojunction was used as the undoped compound semiconductor layer (i-layer). Group IV semiconductors such as Ge-based and C-based semiconductors can be used.

本発明は、室温動作の量子型赤外線センサとして有用である。室温において高感度な量子型赤外線センサが実用化すれば、これまで広く用いられている低感度で応答速度の遅い焦電型センサに置き換わり、大きな市場変化が生じると期待できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a quantum infrared sensor that operates at room temperature. If a quantum infrared sensor with high sensitivity at room temperature is put into practical use, it can be expected to replace the low-sensitivity, slow-response pyroelectric sensor that has been widely used, and bring about a major market change.

1 量子型赤外線センサ
2 n型ドープ化合物半導体層(表面側)
3 n型ドープ化合物半導体層
4 アンドープ化合物半導体層
5,51,52 電極
6 ヘテロ界面
7 量子ドット領域
8 半導体基板
1 quantum infrared sensor 2 n-type doped compound semiconductor layer (surface side)
3 n-type doped compound semiconductor layer 4 undoped compound semiconductor layer 5, 51, 52 electrode 6 hetero interface 7 quantum dot region 8 semiconductor substrate

Claims (9)

n型もしくはp型の何れか又は両方のドープ化合物半導体層に挟まれたアンドープ化合物半導体層を有する赤外線センサであって、
前記アンドープ化合物半導体層は、異種半導体のヘテロ接合で、ターゲットとする赤外線を吸収し得るバンドギャップのバンド内準位を形成する量子ドット領域をヘテロ界面に備え、
前記量子ドット領域によって、フェルミ準位より低い伝導バンドのエネルギー準位が形成され、前記ヘテロ界面に溜まる電子を赤外線によって前記量子ドット領域に形成されるバンド内準位に励起させ、光電流として検出することを特徴とする量子型赤外線センサ。
An infrared sensor having an undoped compound semiconductor layer sandwiched between either or both of n-type or p-type doped compound semiconductor layers,
The undoped compound semiconductor layer is a heterojunction of different semiconductors, and has a quantum dot region at the hetero interface that forms an intra-band level of a bandgap that can absorb the target infrared ray,
The quantum dot region forms an energy level of a conduction band lower than the Fermi level, and the electrons accumulated at the hetero interface are excited by infrared rays to an intra-band level formed in the quantum dot region and detected as a photocurrent. A quantum infrared sensor characterized by :
前記ヘテロ接合は、前記ヘテロ界面を構成する異種半導体のバンドギャップの差が前記ターゲットとする赤外線波長に対応し、かつ、前記ヘテロ界面に転位が発生しない組成と膜厚であることを特徴とする請求項1に記載の量子型赤外線センサ。 The heterojunction is characterized in that the difference in bandgap between dissimilar semiconductors forming the heterointerface corresponds to the target infrared wavelength, and has a composition and a film thickness that do not generate dislocations at the heterointerface. The quantum infrared sensor according to claim 1. 前記アンドープ化合物半導体層は、前記フェルミ準位を制御するn型ドープ化合物半導体層に挟まれたことを特徴とする請求項1又は2に記載の量子型赤外線センサ。 3. The quantum infrared sensor according to claim 1, wherein the undoped compound semiconductor layer is sandwiched between n-type doped compound semiconductor layers that control the Fermi level. 前記量子ドット領域は、単層乃至複数層で構成され、厚みが50nm以下であることを特徴とする請求項1~3の何れかに記載の量子型赤外線センサ。 4. The quantum infrared sensor according to claim 1, wherein the quantum dot region is composed of a single layer or multiple layers and has a thickness of 50 nm or less. 前記ヘテロ接合は、III-V族化合物半導体で構成され、
前記量子ドット領域はInAs,InSb,InGaAs,GaSb,Ge又はHgCdTeの何れかの量子ドットで形成されることを特徴とする請求項1~4の何れかに記載の量子型赤外線センサ。
The heterojunction is composed of a III-V group compound semiconductor,
5. A quantum infrared sensor according to claim 1, wherein said quantum dot region is formed of quantum dots of InAs, InSb, InGaAs, GaSb, Ge or HgCdTe.
前記アンドープ化合物半導体層は、AlaGa1-aAs(0<a≦1)とGaAsのヘテロ接合で、前記量子ドット領域はInAsの量子ドットで形成され、前記ターゲットとする赤外線が1~14μmの波長範囲であることを特徴とする請求項1~5の何れかに記載の量子型赤外線センサ。 The undoped compound semiconductor layer is a heterojunction of AlaGa1-aAs (0<a≦1) and GaAs, the quantum dot region is formed of InAs quantum dots, and the target infrared rays are in the wavelength range of 1 to 14 μm. 6. The quantum infrared sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that: 室温で動作可能であることを特徴とする請求項1~6の何れかに記載の量子型赤外線センサ。 7. The quantum infrared sensor according to claim 1, wherein the quantum infrared sensor is operable at room temperature. 請求項1~7の何れかの量子型赤外線センサと、前記赤外線センサを駆動する駆動回路を備えたことを特徴とする量子型赤外線センサを用いた撮像素子。 An imaging device using a quantum infrared sensor, comprising: the quantum infrared sensor according to any one of claims 1 to 7; and a driving circuit for driving the infrared sensor. 請求項1~7の何れかの量子型赤外線センサの製造方法であって、
前記ヘテロ界面を構成する異種半導体のバンドギャップの差が前記ターゲットとする赤外線波長に対応し、かつ、前記ヘテロ界面に転位が発生しない異種半導体の組成と膜厚を選定するステップと、
前記ターゲットとする赤外線を吸収し得るバンドギャップのバンド内準位を形成し、かつ、フェルミ準位より低い伝導バンドのエネルギー準位を形成する量子ドット領域を、前記ヘテロ界面に形成するステップ、
を備えたことを特徴とする量子型赤外線センサの製造方法。
A method for manufacturing a quantum infrared sensor according to any one of claims 1 to 7,
a step of selecting a composition and a film thickness of a hetero-semiconductor that composes the hetero-interface so that the bandgap difference of the hetero-semiconductor corresponds to the target infrared wavelength and that dislocations do not occur at the hetero-interface;
A step of forming a quantum dot region at the heterointerface that forms an intra-band level of a bandgap capable of absorbing the target infrared rays and forms an energy level of a conduction band lower than the Fermi level;
A method of manufacturing a quantum infrared sensor, comprising:
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