JPH10326906A

JPH10326906A - 光検出素子及び撮像素子

Info

Publication number: JPH10326906A
Application number: JP9135063A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Noge; 宏野毛; Tomoko Suzuki; 智子鈴木; Hiroki Kamei; 宏記亀井; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】入射光の偏光依存性が無く、暗電流の小さい
光検出素子及び撮像素子を提供する。【解決手段】光検出素子１０は、主に半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板１２、基板１２上に形成され、下側コンタクト層
１４と上側コンタクト層１６に挟まれた光吸収層１８及
び上下二つのコンタクト層１４、１６の一部にそれぞれ
形成され、外部回路と接続されたオーミック電極２０か
ら構成されている。光吸収層１８は、厚さ２０ｎｍ程度
のＧａＡｓ障壁層２２と、ＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ層２４とを交互に積み重ね、それぞれ５０層
程度積層したものである。ＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ層には、一つの大きさが、底面の直径が５〜
３０ｎｍ、高さが３〜１０ｎｍであり、面密度１０⁸〜
１０¹²ｃｍ^-2で配置された量子ドット２６が形成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光の光強度を
検出する光検出素子に関するものであり、特に、半導体
量子閉じ込め構造である半導体量子ドット（半導体量子
箱）を用いた、半導体量子ドット光検出素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】入射光の強度を検出する光検出素子とし
ては、その検出原理から、外部光電効果型、光導電効果
型、光起電効果型、熱効果型など、さまざまなものが知
られている。中でも、半導体における電子のバンドギャ
ップ間遷移を利用した光導電型光検出素子は、小型、軽
量、安価に製造できることから広く用いられている。

【０００３】また最近では、例えば特公平７−６６９８
０号公報に記載されているように、半導体超格子構造で
ある半導体量子井戸を用いた光導電型光検出素子につい
ても、活発な研究及び利用がなされている。半導体量子
井戸を用いた光検出素子は図７に示すような構成になっ
ている。上記半導体量子井戸を用いた光検出素子１は、
基板２と、基板に支持された２つのコンタクト層４と、
上記２つのコンタクト層に挟まれた、量子井戸層と障壁
層とを交互に配置してなる半導体超格子６から構成され
ている。ここで、量子井戸層は、ｎ型あるいはｐ型にド
ープされている。

【０００４】上記光検出素子１に光が入射すると、量子
井戸内の電子のエネルギー状態は束縛準位から連続準位
に励起される。励起された電子は、上下のコンタクト層
間に印加された電圧により、外部回路を流れる電流とし
て検出される。

【０００５】量子井戸構造を利用した光検出素子は、光
検出原理として、電子のバンド間遷移ではなくサブバン
ド間遷移を用いていることにより、量子井戸層の厚み及
び組成の選択などによって様々な波長の光を検出するこ
とが可能となっている。

【０００６】また、これらの光検出素子をアレイ状に配
列することにより、検出波長帯の広い撮像素子も開示さ
れている（特公平７−６６９８０号公報）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、量子井戸構造
においては、電子が量子井戸層内では自由に動けること
から、入射光のうち量子井戸層に平行な偏波成分には応
答しないという問題があった。そのために、通常は入射
光を量子井戸層に垂直な光に偏光するために、基板をプ
リズム状に加工したり、基板に回折格子を取り付けたり
する必要があった。

【０００８】また、量子井戸構造においては、電子のエ
ネルギーに対して電子の状態密度が連続的に変化するた
めに、一旦連続準位に励起された電子は、光学フォノン
を放出することによってエネルギーを失い、非常に短い
時間で再び束縛準位へと戻ってしまう。よって、連続準
位に励起された電子を短時間のうちに量子井戸の外部に
取り出すためには、２つのコンタクト層間に大きなバイ
アス電圧を印加する必要があり、その結果、暗電流が大
きくなってしまうという問題があった。

【０００９】本発明は、上記の問題を解決し、入射光の
偏光依存性が無く、暗電流の小さい光検出素子及び撮像
素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光検出素子は、不純物をドープされていな
い第１の半導体からなる層を複数層積層させ、各層間に
ｐ型またはｎ型にドープされ、且つバンドギャップが第
１の半導体よりも小さい第２の半導体からなると共に
縦、横、高さとも３０ｎｍ以下の大きさである複数の量
子ドットを、１０⁸〜１０¹²個／ｃｍ²の面密度で介在さ
せた光吸収層と、光吸収層の対向する面にそれぞれ設置
されたオーミック電極とから構成されていることを特徴
としている。

【００１１】光検出素子に半導体量子ドットを用いるこ
とにより、電子が半導体量子ドット内に三次元的に閉じ
こめられる。その結果、あらゆる偏光特性を持つ光の入
射に対して、電子がポテンシャルの高いエネルギー準位
に励起されるようになる。また、光検出素子に半導体量
子ドットを用いることで、エネルギーに対する電子の状
態密度が離散的に変化するため、一旦励起された電子は
再び束縛状態に戻ることが困難となり、励起された電子
を小さなバイアス電圧で外部に取り出すことが可能とな
る。

【００１２】本発明の光検出素子は、上記第２の半導体
と同型にドープされた半導体からなると共に、光吸収層
の光入射面と、その反対側の面にそれぞれ設けられたコ
ンタクト層をさらに備え、オーミック電極は、前記それ
ぞれのコンタクト層に設置されていることを特徴として
も良い。

【００１３】コンタクト層を用いることにより、電極と
光吸収層との間の電気的な抵抗を小さくすることができ
る。

【００１４】本発明の光検出素子は、第１の半導体、第
２の半導体及びコンタクト層が、III-V族化合物半導
体、II-VI族化合物半導体、複数の異なるIII-V族化合物
半導体の混晶、または複数の異なるII-VI族化合物半導
体の混晶であることを特徴としても良い。

【００１５】また、本発明の光検出素子は、第１の半導
体、第２の半導体及びコンタクト層が、Ｓｉ、Ｇｅ、ま
たはＳｉとＧｅとの混晶であることを特徴としても良
い。

【００１６】さらに、本発明の光検出素子は、第１の半
導体及びコンタクト層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ
であり、第２の半導体は、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓ
であることを特徴とすることが好適である。

【００１７】本発明の光検出素子は、量子ドットにおけ
る束縛準位のエネルギーと連続準位のエネルギーとの差
が、量子ドットを形成する半導体の光学フォノンエネル
ギーよりも大きいことを特徴としても良い。

【００１８】量子ドットにおける束縛準位のエネルギー
と連続準位のエネルギーとの差を、量子ドットを形成す
る半導体の光学フォノンエネルギーよりも大きくするこ
とによって、一旦励起された電子が再度束縛準位に戻り
にくくすることが可能となる。

【００１９】さらに、本発明の撮像素子は、上記に示す
光検出素子を同一基板上にアレイ状に配置したことを特
徴としている。

【００２０】撮像素子に、上記に示す光検出素子を用い
ることにより、入射光の偏光依存性が無く、暗電流の小
さい撮像素子を構成することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る光検出素
子及び撮像素子を図面を参照して説明する。まず、本発
明の第１の実施形態に係る光検出素子について説明す
る。はじめに、本発明の第１の実施形態に係る光検出素
子の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態に係る光検出素子の構成図である。本実施形態に
係る光検出素子１０は、主に半絶縁性ＧａＡｓ基板１
２、基板１２上に形成された下側コンタクト層１４、下
側コンタクト層１４の上に形成された光吸収層１８、光
吸収層の上に形成された上側コンタクト層１６及び上下
のコンタクト層１４、１６の一部にそれぞれ形成され、
外部回路と接続されたオーミック電極２０から構成され
ている。

【００２２】光吸収層１８は、厚さ２０ｎｍ程度のＧａ
Ａｓ障壁層２２と、バンドギャップがＧａＡｓよりも小
さく、かつＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４
とを交互に積み重ね、それぞれ５０層程度積層した構造
になっている。ＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層
２４は、一つが、底面の直径が５〜３０ｎｍ、高さが３
〜１０ｎｍの大きさを持ち、面密度１０⁸〜１０¹²ｃｍ
^-2で形成された量子ドット２６と、量子ドット２６の周
辺に形成された１〜２分子層厚のウェッティング層２８
とからなっている。ＩｎＧａＡｓにドープされたＳｉ
は、ＧａあるいはＩｎの格子位置に入り、浅いドナー準
位を形成する。よって、ＩｎＧａＡにＳｉをドープする
ことにより、ＩｎＧａＡｓはｎ型にドープされた状態と
なっている。

【００２３】上下のコンタクト層１４、１６はどちらも
量子ドット２６と同型であるｎ型にドープされたＧａＡ
ｓから形成されており、下側コンタクト層１４は１μ
ｍ、上側コンタクト層１６は０．５μｍ程度の厚みを持
っている。また、上下のコンタクト層１４及び１６は、
光吸収層１８として形成されている障壁層２２、Ｓｉド
ープされたＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４と平行に形成され
ている。

【００２４】オーミック電極２０は、ｎ型にドープされ
た上下のコンタクト層１４、１６から電流を取り出すの
に適した材質、例えば、ＡｕＧｅ、ＩｎＳｎなどから形
成されている。

【００２５】上側コンタクト層１６上に形成されるオー
ミック電極２０は、光吸収層が光を効率よく吸収できる
ようにし、且つ検出電流ができるだけ均一に流れるよう
に、上側コンタクト層１６の表面にリング状または格子
状あるいはメッシュ状に形成されている。

【００２６】また、基板１２の下部には、光を反射する
ことによって光吸収層１８の光吸収効率を向上させるた
めに、金属または誘電体多層膜からなる反射層３０が形
成されている。

【００２７】次に、本実施形態に係る光検出素子の製造
方法について説明する。上記ＳｉドープされたＩｎ_0.5
Ｇａ_0.5Ａｓ層２４は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）
法によって、４００〜５００℃の温度範囲でＩｎ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓを１．５から５分子層分堆積させることによ
って形成される。中でも、量子ドット２６は、障壁層２
２を形成するＧａＡｓと、Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４を
形成するＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓとの格子定数の違いにより
発生する歪みとして形成される。また、ウェッティング
層２８は、量子ドット２６の生成過程で、量子ドット２
６の周囲に発生する層である。

【００２８】Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４へのＳｉドーピ
ングは１０⁸〜１０¹²ｃｍ^-2の面密度の範囲で、Ｉｎ_0.5
Ｇａ_0.5Ａｓの堆積を一時中断するかあるいはＩｎ_0.5Ｇ
ａ₀ _.5Ａｓの堆積中に継続して行う。

【００２９】量子ドット２６の大きさの微妙な調整は、
温度や堆積速度、堆積量、Ａｓ分子線の圧力、Ｉｎ組成
などの条件を適切に選んで行う。

【００３０】上下のコンタクト層１４、１６及び障壁層
２２の形成は、同じくＭＢＥ法により、５００〜７００
℃の温度範囲で行うが、Ｉｎの拡散を防止するため、Ｉ
ｎ_0. ₅Ｇａ_0.5Ａｓ層２４の直上における障壁層２２の形
成においては、はじめの５ｎｍまでを４００〜５５０℃
の温度範囲で成長させる。また、上下のコンタクト層１
４、１６においては、形成時に５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の
濃度でＳｉをドープする。

【００３１】上側のオーミック電極２０は、真空蒸着法
によって上側コンタクト層１６上に形成させる。また、
下側のオーミック電極２０は、下側コンタクト層１４の
一部をエッチングによって露出させ、その後、同様に真
空蒸着法によって形成させる。

【００３２】続いて、本実施形態に係る光検出素子の作
用について説明する。Ｉｎ_0.5Ｇａ₀ _.5Ａｓより形成され
る量子ドット２６は、Ｓｉドーピングされている。その
ため、量子ドット２６内のエネルギー状態を考えると、
伝導帯の束縛準位の直下にドナー準位が形成されること
になる。このドナー準位から、各量子ドット２６の伝導
帯の束縛準位に電子が１個あるいは２個ずつ供給されて
いる。

【００３３】一方、ＧａＡｓからなる障壁層２２はドー
プされておらず、量子ドット２６と比較して伝導帯のエ
ネルギー下端が高いため、障壁層２２の伝導帯は空乏化
し、暗状態、つまり光が当たっていない状態において
は、障壁層２２の伝導帯中に電子はほとんど存在しな
い。

【００３４】上記状態の光検出素子１０に、光が入射し
た状態について考える。図２は、オーミック電極２０に
バイアス電圧を印加した状態で、光検出素子１０に光が
入射したときのエネルギーバンド図である。光が入射し
ていない状態においては、大部分の電子は、量子ドット
２６の伝導帯内の最もエネルギーの低い束縛準位３２に
存在する。しかし、光検出素子１０に、束縛準位３２と
励起準位とのエネルギー差よりも大きいエネルギーを持
った光が入射すると、束縛準位３２に存在した電子は、
励起準位に励起される。

【００３５】この、伝導帯内の束縛準位３２から励起準
位へのエネルギー状態の遷移をサブバンド間遷移、ある
いはミニバンド間遷移と呼ぶ。これに対し、価電子帯か
ら伝導帯へのエネルギー状態の遷移をバンド間遷移と呼
ぶ。

【００３６】サブバンド間遷移により、電子が連続準位
３４、つまり障壁層２２の伝導帯のエネルギー下端より
も高いエネルギー準位まで励起されると、オーミック電
極２０によって印加されたバイアス電圧によって電子が
光吸収層１８の外部に引き出され、電流として検出され
る。

【００３７】従来の１次元閉じこめ構造である量子井戸
構造においては、その量子力学特性により、井戸平面に
平行な偏光成分に対して電子は励起されなかった。しか
し、本実施形態に係る光検出素子１０のように、３次元
閉じこめ構造である量子ドット構造を用いることによ
り、あらゆる偏光特性を持った光によって電子が励起さ
れることになる。

【００３８】また、従来の量子井戸構造においては、障
壁層の厚みが２０〜５０ｎｍ程度であるため、入射光と
は無関係な熱的な電子励起に起因する、トンネル効果に
よる暗電流が発生していた。しかし、本実施形態に係る
光検出素子１０においては、量子ドット構造を利用する
ため、電界方向から見た量子ドット間の距離、つまり実
効的な障壁層の厚みは１００ｎｍ以上となり、トンネル
効果による暗電流は減少する。

【００３９】図３は、量子ドットにおける電子のエネル
ギーと状態密度との関係を示したものである。また、図
８は、従来の量子井戸における電子のエネルギーと状態
密度との関係を示したものである。量子井戸構造の場合
は、図８に示すとおり、電子のエネルギーに対して状態
密度が連続的に変化している。よって、電子が入射光の
エネルギーを吸収して一旦連続準位３４に励起されたと
しても、励起された電子は光学フォノンのエネルギーを
放出することにより、容易に束縛準位３２に戻ってしま
う。従って、光検出素子に量子井戸構造を用いる場合
は、励起された電子が光学フォノンのエネルギーを放出
して束縛準位３２に戻ってしまう前に、非常に短時間で
電子を量子井戸の外部に引き出す必要があり、光吸収層
に高いバイアス電圧をかけなくてはならない。その結
果、暗電流が非常に大きくなってしまう。

【００４０】一方、量子ドット構造の場合は、図３に示
すとおり、電子のエネルギーに対して状態密度が離散的
に変化している。よって、電子が入射光のエネルギーを
吸収して一旦連続準位３４に励起されると、再び束縛準
位３２に戻ることが困難となる。特に、連続準位３４と
束縛準位３２とのエネルギー差が光学フォノンのエネル
ギー（ＧａＡｓの場合は３６ｍｅＶ）と比較して大きい
場合は、ほとんど不可能となる。よって、光検出素子に
量子ドットを用いる場合は、励起された電子が長時間連
続準位３４にとどまっているので、小さなバイアス電圧
でも電子を光吸収層の外部に引き出すことが可能とな
り、その結果、暗電流が小さくなる。

【００４１】また、本実施形態の光検出素子は、ＧａＡ
ｓ障壁層２２とＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４とを交互に積
み重ねることによって、同一形状の量子ドット２６を多
数形成することができるため、光吸収層１８内の量子ド
ット２６の総数の面密度があまり大きくならなければ、
具体的には１０¹²ｃｍ^-2以下であれば、光検出感度をほ
ぼドット数に比例して向上させることが可能となる。さ
らに、障壁層２２の厚みを２０ｎｍと大きくしているこ
とで、交互に積み重ねられたＧａＡｓ障壁層２２とＩｎ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４内で、光入射方向から見た量子ド
ットの位置が乱雑に分布し、上下に重なることが少なく
なるので、光検出感度が向上する。また、半絶縁性の基
板を用いていることで、ｎ型半導体の基板を用いた場合
などと比較して、基板における自由キャリアによる光の
吸収を押さえることができ、光検出感度が向上する。

【００４２】また、量子ドットを用いた光検出素子とし
ては、特開平８−１９５５０４などが開示されている
が、この素子は、受光素子の波長帯域を設定、変化させ
るために量子ドットを用いたものである。また、その実
施例から明らかなように、量子ドットはドーピングされ
ておらず、受光層はｐ型半導体層とｎ型半導体層とに挟
まれている。従ってこの素子は、価電子帯から伝導帯へ
のバンド間遷移によって、可視光から近赤外光にのみ感
度を有するものであり、本発明とは構造及び作用が異な
る。

【００４３】さらに、本実施形態に係る光検出素子の効
果について説明する。まず第１に、本実施形態に係る光
検出素子１０は、量子ドット２６を用いているために、
電子が量子ドット２６内に３次元的に閉じこめられる。
よって、量子ドット２６のサブバンド間のエネルギー差
よりも大きいエネルギーを持つあらゆる偏波面を持つ入
射光に対して、電子が励起される。その結果、あらゆる
偏波成分を持った入射光強度を検出することが可能とな
り、入射光を光吸収層１８に垂直な偏光に変換するため
に基板をプリズム状に加工したり、基板に回折格子など
を取り付ける必要が無い。

【００４４】第２に、本実施形態に係る光検出素子は、
量子ドット２６を用いているため、電界方向の量子ドッ
ト２６の間隔が、量子井戸を用いた場合の障壁層の厚み
と比較して大きくなっている。よって、トンネル電流を
小さく押さえることが可能となり、その結果、トンネル
電流に起因する暗電流を小さくすることが可能となる。
また、量子ドット２６を用いることにより、一旦連続状
態に励起された電子が束縛状態に戻ることが困難とな
り、光吸収層１８にかける電圧を小さくしても、電子を
容易に外部回路に引き出せることになる。その結果、光
吸収層１８及び外部回路に流れる暗電流を小さくするこ
とが可能となる。さらに、上下のコンタクト層１４、１
６及びオーミック電極２０を用いていることにより、光
吸収層１８と外部回路との間の電気的な抵抗が小さくな
り、光吸収層１８にかける電圧を小さくすることができ
る。その結果、光吸収層１８及び外部回路に流れる暗電
流を小さくすることが可能となる。

【００４５】第３に、本実施形態に係る光検出素子１０
は、量子ドット２６を用いているため、量子ドット２６
を形成する半導体の種類だけでなく、量子ドット２６の
大きさを変えることにより、様々な波長の入射光に対し
て感度を高めることが可能である。さらに、ドープされ
た量子ドット２６を用いることにより、電子のバンド間
遷移によっては検出できない長波長領域の光に対して
も、高い感度を有する光検出素子の設計が可能となる。

【００４６】尚、本実施形態において、量子ドット２６
はＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓから形成されていたが、この組成
は上記に限定されるものではない。例えば、Ｉｎ_0.5の
割合を変化させてもよいし、純粋なＩｎＡｓを用いても
よい。同様に、障壁層２２の材料についてもＧａＡｓの
代わりにＡｌＧａＡｓなどを用いてもよい。また、量子
ドット２６と障壁層２２の材料の組み合わせとしては、
それぞれ、ＧｅまたはＳｉＧｅとＳｉ、ＩｎＰとＩｎＧ
ａＰまたはＧａＡｓ、ＩｎＳｂまたはＧａＳｂまたはＡ
ｌＳｂとＧａＡｓ、ＺｎＣｄＳｅとＺｎＳｅ、ＺｎＳｅ
とＺｎＭｇＳｅまたはＺｎＭｇＳｅＳなどの組み合わせ
を用いてもよい。さらに、障壁層２２とコンタクト層１
４、１６の材料の組み合わせとしては、ＧａＡｓまたは
ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ、ＳｉとＳｉ、ＩｎＧａＰとＩ
ｎＧａＰまたはＧａＡｓなどが考えられる。

【００４７】また、本実施形態において、量子ドット２
６及び上下のコンタクト層１４、１６は、ｎ型にドープ
されていたが、これらは、全て同型にドープされている
のであれば、ｐ型にドープされていても良い。これら
が、ｐ型にドープされている場合は、オーミック電極２
０としてＡｕＣｒ、ＡｕＺｎ、ＩｎＺｎなどから形成さ
れていることが望ましい。

【００４８】さらに、本実施形態において、量子ドット
２６、障壁層２２及び上下のコンタクト層１４、１６の
形成方法として、ＭＢＥ法を用いたが、これは有機金属
気相成長（ＭＯＶＰＥ）法や化学的気相堆積（ＣＶＤ）
法を用いてもよい。

【００４９】続いて、本発明の第２の実施形態に係る光
検出素子について説明する。図４は本発明の第２の実施
形態に係る光検出素子の構成図である。本実施形態に係
る光検出素子４０が第１の実施形態に係る光検出素子１
０と構成上相違する点は、第１の実施形態に係る光検出
素子１０は、光吸収層１８が上下二つのコンタクト層１
４、１６に挟まれており、上下のコンタクト層１４、１
６の表面上の一部に、それぞれ外部回路と接続されたオ
ーミック電極２０が形成されていたのに対して、本実施
形態に係る光検出素子４０は、上下のコンタクト層１
４、１６を用いず、光吸収層１８の両側に、光吸収層１
８を形成する障壁層２２とＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ層２４に垂直になるようにオーミック電極２
０を直接形成した点である。

【００５０】オーミック電極２０は、光吸収層１８を第
１の実施形態と同様な方法で形成した後に、光吸収層１
８の上部２カ所に真空蒸着法により形成する。その後、
不活性ガスまたは還元性ガス中で加熱処理をすることに
より、０．３μｍ以上の深さまで合金化反応をさせるこ
とにより導電性がもたらされる。

【００５１】本実施形態に係る光検出素子における作用
及び効果は、コンタクト層を用いたことによる作用、効
果以外は、第１の実施形態に係る光検出素子の作用、効
果と基本的に同様である。本実施形態に係る光検出素子
においては、コンタクト層は用いないが、オーミック電
極２０として、量子ドット２６のドーピングの型に適し
た金属薄膜を用いることにより、光吸収層１８と外部回
路との間の電気的な抵抗をある程度低減することができ
る。これらの金属としては、ｐ型にドープされた量子ド
ット２６に対しては、ＡｕＣｒ、ＡｎＺｎ、ＩｎＺｎ、
ｎ型にドープされた量子ドット２６に対しては、ＡｕＧ
ｅ、ＩｎＳｎなどが考えられる。また、第１の実施形態
に係る光検出素子１０は、光吸収層１８内を流れる電流
の方向と光の入射方向が同一であるため、光吸収層１８
を形成する障壁層２２とＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇａ
_0.5Ａｓ層２４の数を増やしても、光の入射方向から見
て量子ドットがほぼ一面を覆い尽くす５０層程度の層数
を越えると、感度はほとんど変わらない。これに対し
て、本実施形態に係る光検出素子４０は、光吸収層１８
内を流れる電流の方向に対して入射光が垂直に入射す
る。よって、量子ドット２６の光入射方向の厚みの積分
値が、入射光の吸収長を大きく越えない限り、障壁層２
２とＳｉドープされたＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４の数を
増やすことによって感度を向上させることが可能とな
る。

【００５２】また、本実施形態においても、第１の実施
形態と同様に、量子ドット２６及び障壁層２２の材料は
上記に限定されるものではない。例えば、Ｉｎ_0.5の割
合を変化させてもよいし、純粋なＩｎＡｓを用いてもよ
い。同様に、障壁層２２の材料についてもＧａＡｓの代
わりにＡｌＧａＡｓなどを用いてもよい。さらに、量子
ドット２６と障壁層２２の材料の組み合わせとしては、
それぞれ、ＧｅまたはＳｉＧｅとＳｉ、ＩｎＰとＩｎＧ
ａＰまたはＧａＡｓ、ＩｎＳｂまたはＧａＳｂまたはＡ
ｌＳｂとＧａＡｓ、ＺｎＣｄＳｅとＺｎＳｅ、ＺｎＳｅ
とＺｎＭｇＳｅまたはＺｎＭｇＳｅＳなどの組み合わせ
を用いてもよい。

【００５３】続いて、本発明の第３の実施形態に係る撮
像素子について説明する。図５は本発明の第３の実施形
態に係る撮像素子の構成図である。本実施形態に係る撮
像素子６０は、本発明の第１の実施形態に係る光検出素
子１０を同一平面上に２次元的に配列し、さらにこれら
の光検出素子１０を選択するスイッチング回路（マルチ
プレクサ）６２を設けた構成になっている。

【００５４】各光検出素子１０は、下側コンタクト層１
４までメサ・エッチングすることにより素子分離されて
いる。また、各光検出素子１０の下側コンタクト層１４
には、各光検出素子１０間で共通のオーミック電極２０
が設置されている。各光検出素子１０の上側コンタクト
層１６には、それぞれ別々のオーミック電極２０が取り
付けられている。それぞれのオーミック電極２０は、絶
縁層６４上の配線６６を介して、同一基板あるいは別の
基板上に設けられたスイッチング回路（マルチプレク
サ）６２に接続されている。

【００５５】このスイッチング回路６２は、光検出素子
１０を選択しながら、各光検出素子１０へのバイアス電
圧の供給及び光電流の読み出しを順次行うことが可能と
なっている。その結果、各光検出素子１０に入射した光
強度分布から、２次元撮像画像情報を得ることができ
る。

【００５６】本実施形態の撮像素子は、本発明の第１の
実施形態に係る光検出素子１０を用いていることによ
り、従来の撮像素子と比較して、偏光依存性がない、暗
電流が小さい、赤外域に対しても高い感度を有するとい
った効果がある。

【００５７】最後に、本発明の第４の実施形態に係る撮
像素子について説明する。図６は、本実施形態に係る撮
像素子の構成図である。本実施形態に係る撮像素子８０
が本発明の第３の実施形態に係る撮像素子６０と構成上
異なる点は、本発明の第３の実施形態に係る撮像素子６
０は、本発明の第１の実施形態に係る光検出素子１０を
アレイ状に配置していたが、本実施形態に係る撮像素子
８０は、本発明の第２の実施形態に係る光検出素子４０
をアレイ状に配置した点である。この構成においては、
オーミック電極２０を光検出素子４０の上下ではなく、
両側に接続しているため、各行各列の光検出素子４０の
一対のオーミック電極２０に接続された配線６６は、そ
れぞれが接触しないように絶縁層６４を介してスイッチ
ング回路６２に接続される。このような構成にしても、
上記第３の実施形態に係る撮像素子６０と同様に、偏光
依存性がない、暗電流が小さい、赤外域に対しても高い
感度を有するといった効果がある。

【００５８】

【発明の効果】半導体量子ドットを用いた構成により、
入射光の偏光依存性が無く、暗電流の小さい光検出素子
が実現できる。また、量子ドットを形成する材料、大き
さ等を変えることにより、様々な波長の入射光に対して
感度を高くすることができ、さらに、量子ドットに不純
物をドープすることにより、赤外光のような長波長帯の
光に対しても感度の高い光検出素子が構成できる。さら
に、上記光検出素子をアレイ状に並べることによって、
入射光の偏光依存性が無く、暗電流が小さく、長波長帯
まで感度の高い撮像素子を作成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の構
成図である。

【図２】本発明の第１の実施形態において、オーミック
電極にバイアス電圧を印加した状態で、光検出素子に光
が入射したときのエネルギーバンド図である。

【図３】量子ドットにおける電子のエネルギーと状態密
度との関係を示したものである。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の構
成図である。

【図５】本発明の第３の実施形態に係る撮像素子の構成
図である。

【図６】本発明の第４の実施形態に係る撮像素子の構成
図である。

【図７】半導体量子井戸を用いた光検出素子の構成図で
ある。

【図８】量子井戸における電子のエネルギーと状態密度
との関係を示したものである。

【符号の説明】

１…光検出素子、２…基板、４…コンタクト層、６…半
導体超格子、１０…光検出素子、１２…基板、１４…下
側コンタクト層、１６…上側コンタクト層、１８…光吸
収層、２０…オーミック電極、２２…障壁層、２４…Ｓ
ｉドープされたＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層、２６…量子ドッ
ト、２８…ウェッティング層、３０…反射層、３２…束
縛準位、３４…連続準位、４０…光検出素子、６０…撮
像素子、６２…スイッチング回路、６４…絶縁層、６６
…配線、８０…撮像素子

フロントページの続き (72)発明者菅博文静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不純物をドープされていない第１の半導
体からなる層を複数層積層させ、前記各層間に、ｐ型ま
たはｎ型にドープされ、且つバンドギャップが前記第１
の半導体よりも小さい第２の半導体からなると共に縦、
横、高さとも３０ｎｍ以下の大きさである複数の量子ド
ットを、１０⁸〜１０¹²個／ｃｍ²の面密度で介在させた
光吸収層と、前記光吸収層の互いに対向する面にそれぞれ接続された
オーミック電極と、から構成されていることを特徴とする光検出素子。
【請求項２】前記第２の半導体と同型にドープされた
半導体からなると共に、前記光吸収層の光入射面と、そ
の反対側の面にそれぞれ設けられたコンタクト層をさら
に備え、前記オーミック電極は、前記それぞれのコンタクト層に
設置されていることを特徴とする請求項１に記載の光検
出素子。
【請求項３】前記第１の半導体及び前記第２の半導体
が、 III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、複数の異
なるIII-V族化合物半導体の混晶、または複数の異なるI
I-VI族化合物半導体の混晶であることを特徴とする請求
項１に記載の光検出素子。
【請求項４】前記第１の半導体及び前記第２の半導体
が、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＳｉとＧｅとの混晶であることを特
徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項５】前記第１の半導体は、ＧａＡｓまたはＡ
ｌＧａＡｓであり、前記第２の半導体は、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓであ
ることを特徴とする請求項３に記載の光検出素子。
【請求項６】前記光吸収層及びコンタクト層が、 III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、複数の異
なるIII-V族化合物半導体の混晶、または複数の異なるI
I-VI族化合物半導体の混晶から形成されていることを特
徴とする請求項２に記載の光検出素子。
【請求項７】前記光吸収層及びコンタクト層が、Ｓｉ、Ｇｅ、またはＳｉとＧｅとの混晶から形成されて
いることを特徴とする請求項２に記載の光検出素子。
【請求項８】前記コンタクト層及び第１の半導体は、
ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓであり、前記第２の半導体は、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓであ
ることを特徴とする請求項６に記載の光検出素子。
【請求項９】前記量子ドットにおける束縛準位のエネ
ルギーと連続準位のエネルギーとの差が、前記量子ドッ
トを形成する半導体の光学フォノンエネルギーよりも大
きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記
載の光検出素子。
【請求項１０】請求項１〜９のいずれか１項に記載の
光検出素子を同一基板上にアレイ状に配置したことを特
徴とする撮像素子。