JPWO2019215903A1 - Photodetector - Google Patents
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Abstract
暗電流の発生を抑制するために、基板と、基板の上方に形成される受光層と、受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、電子障壁層の基材の半導体と、量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子とする。In order to suppress the generation of dark current, a substrate, a light receiving layer formed above the substrate, and an electron barrier layer formed in contact with the light receiving layer and containing a plurality of quantum dots are provided, and the base of the electron barrier layer. The semiconductor of the material and the semiconductor constituting the quantum dot are photodetectors having different lattice constants.
Description
本発明は、赤外線を検出する光検出素子に関する。 The present invention relates to a photodetector that detects infrared rays.
赤外線を検出する光検出素子の受光材料として、水銀・カドミウム・テルル(HgCdTe)や化合物半導体などのバルク半導体が用いられる。化合物半導体を受光材料とする光検出素子では、赤外線の受光の有無に関わらず流れる電流(以下、暗電流と呼ぶ)を低減するために、受光層とコンタクト層との間に電子障壁層を介在させる構造が開示されている。 Bulk semiconductors such as mercury cadmium tellurium (HgCdTe) and compound semiconductors are used as the light receiving material of the photodetector element for detecting infrared rays. In a photodetector element using a compound semiconductor as a light receiving material, an electron barrier layer is interposed between the light receiving layer and the contact layer in order to reduce the current (hereinafter referred to as dark current) that flows regardless of the presence or absence of infrared light reception. The structure to be used is disclosed.
非特許文献1には、インジウム・ヒ素(InAs)とガリウム・アンチモン(GaSb)とを交互に積層させたタイプ2超格子構造の受光層に対して、アルミニウム・ガリウム・アンチモン(AlGaSb)層を電子障壁層として含む光検出素子が開示されている。 In Non-Patent Document 1, an aluminum gallium antimonide (AlGaSb) layer is electron with respect to a light receiving layer having a type 2 superlattice structure in which indium arsenide (InAs) and gallium antimonide (GaSb) are alternately laminated. A photodetector included as a barrier layer is disclosed.
非特許文献2には、InAsバルク受光層に対して、アルミニウム・ヒ素・アンチモン(AlAsSb)障壁層を設けた構造が開示されている。 Non-Patent Document 2 discloses a structure in which an aluminum / arsenic / antimony (AlAsSb) barrier layer is provided on the InAs bulk light receiving layer.
非特許文献3には、インジウム・ガリウム・ヒ素・アンチモン(InGaAsSb)バルク受光層に対して、AlGaSb障壁層を設けた構造が開示されている。 Non-Patent Document 3 discloses a structure in which an AlGaSb barrier layer is provided on an indium gallium arsenide / antimony (InGaAsSb) bulk light receiving layer.
非特許文献4には、InAsとアルミニウム・アンチモン(AlSb)とGaSbとを交互に積層させたタイプ2超格子構造の受光層に対して、タイプ1超格子構造の電子障壁層を用いる光検出素子について開示されている。非特許文献4の光検出素子は、AlAsSbとGaSbとを交互に積層させたタイプ1超格子構造の電子障壁層を含む。 Non-Patent Document 4 describes a photodetector element that uses an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure with respect to a light receiving layer having a type 2 superlattice structure in which InAs, aluminum antimonide (AlSb), and GaSb are alternately laminated. Is disclosed. The photodetector element of Non-Patent Document 4 includes an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure in which AlAsSb and GaSb are alternately laminated.
特許文献1には、積層された複数の量子ドット層を有する赤外線検知部と、赤外線検知部の積層方向の端部に設けられ、量子井戸構造を有する少なくとも1層の暗電流低減層と、を有する赤外線検知器について開示されている。 Patent Document 1 describes an infrared detection unit having a plurality of laminated quantum dot layers, and at least one dark current reduction layer provided at an end of the infrared detection unit in the stacking direction and having a quantum well structure. The infrared detector having is disclosed.
特許文献2には、光吸収部となる量子ドットを埋め込んだ中間層と、電位障壁となる量子ドットを埋め込んだ中間層とを積層させた構造を有する赤外線検知器について開示されている。 Patent Document 2 discloses an infrared detector having a structure in which an intermediate layer in which quantum dots serving as a light absorbing portion are embedded and an intermediate layer in which quantum dots serving as a potential barrier are embedded are laminated.
非特許文献1〜4の光検出素子によれば、コンタクト層と受光層との間に、電子に対してポテンシャルの壁となる電子障壁層を導入することによって、暗電流を低下させることができる。しかしながら、非特許文献1〜4の光検出素子は、150ケルビンを超える高温動作を安定して実現するほどには、暗電流を抑制できないという課題があった。 According to the photodetector elements of Non-Patent Documents 1 to 4, the dark current can be reduced by introducing an electron barrier layer that serves as a potential wall for electrons between the contact layer and the light receiving layer. .. However, the photodetector elements of Non-Patent Documents 1 to 4 have a problem that the dark current cannot be suppressed enough to stably realize a high temperature operation exceeding 150 Kelvin.
本発明の目的は、上述した課題を解決し、暗電流の発生を抑制できる光検出素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photodetector element capable of solving the above-mentioned problems and suppressing the generation of dark current.
本発明の一態様の光検出素子は、基板と、基板の上方に形成される受光層と、受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、電子障壁層の基材の半導体と、量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる。 The photodetector element of one aspect of the present invention includes a substrate, a light receiving layer formed above the substrate, and an electron barrier layer formed in contact with the light receiving layer and containing a plurality of quantum dots. The semiconductor of the base material and the semiconductor constituting the quantum dot have different lattice constants.
本発明によれば、暗電流の発生を抑制できる光検出素子を提供することが可能になる。 According to the present invention, it becomes possible to provide a photodetector element capable of suppressing the generation of dark current.
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。また、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, although the embodiments described below have technically preferable limitations for carrying out the present invention, the scope of the invention is not limited to the following. In all the drawings used in the following embodiments, the same reference numerals are given to the same parts unless there is a specific reason. Further, in the following embodiments, repeated explanations may be omitted for similar configurations and operations. Further, the direction of the arrow in the drawing shows an example, and does not limit the direction of the signal between blocks.
(第1の実施形態)
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図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、バルク半導体の内部に量子ドットを埋め込んだ構造の電子障壁層を備える。(First Embodiment)
First, the photodetector element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The photodetector of the present embodiment includes an electron barrier layer having a structure in which quantum dots are embedded inside a bulk semiconductor.
図1は、本実施形態の光検出素子10の構成の一例を示す模式図である。図1のように、光検出素子10は、基板11、バッファ層12、第1コンタクト層13、電子障壁層14、受光層15、および第2コンタクト層16を備える。なお、図1は、光検出素子10の構成を概念的に示すものであり、各構成の縮尺を正確に表していない。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of the
基板11は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板11は、化合物半導体材料で構成される。例えば、基板11の半導体組成は、ガリウム・アンチモン(GaSb)やインジウム・リン(InP)、窒化ガリウム(GaN)、砒化ガリウム(GaAs)などである。なお、基板11の材料は、ここで挙げた限りではない。基板11を構成する材料は、バッファ層12や、第1コンタクト層13、電子障壁層14、受光層15、および第2コンタクト層16に用いられる材料に合わせて選択すればよい。また、基板11には、不純物がドープされていてもよい。
The
バッファ層12は、基板11の上面に形成される。バッファ層12は、基板11の上面の面方位に倣って結晶成長した層である。バッファ層12は、基板11と同じ材料で構成することが好ましい。
The
第1コンタクト層13は、バッファ層12の上面に形成される。第1コンタクト層13は、ドーパントを含む。例えば、第1コンタクト層13にn型ドーパントを導入する場合、ケイ素(Si)を用いることができる。例えば、第1コンタクト層13にp型ドーパントを用いる場合、ベリリウム(Be)や亜鉛(Zn)を用いることができる。なお、第1コンタクト層13は、バッファ層12と同じ組成にすることが好ましい。また、第1コンタクト層13は、バッファ層12と格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、基板11の材料にInPを用いる場合、InPと格子整合するInGaAsを第1コンタクト層13に用いることができる。
The
電子障壁層14は、第1コンタクト層13の上面に積層される。電子障壁層14は、基材となるバルク半導体の内部に、そのバルク半導体よりもバンドギャップが狭い複数の量子ドットが含まれる構造を有する。電子障壁層14の基材と量子ドットを構成する半導体組成は、格子定数が異なる。
The
図2は、電子障壁層14の構成の一例を示す概念図である。図2のように、電子障壁層14は、バルク層141の内部に、複数の量子ドット145が含まれる構造を有する。量子ドット145の半導体組成は、バルク層141の半導体組成よりもバンドギャップが狭い。量子ドット145は、バルク層141の結晶成長の途中で、バルク層141の材料よりも格子定数の大きい半導体組成の材料を数分子層積層した際に、界面の歪みが解消されるように自然形成される3次元的な島状構造である。このように、自然形成される量子ドットのことを自己形成量子ドットと呼ぶ。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the
例えば、電子障壁層14は、バルク層141として結晶成長させたアルミニウム・ガリウム・アンチモン(AlGaSb)の内部に、AlGaSbよりもバンドギャップの狭い半導体組成の量子ドット145を含む。例えば、AlGaSbよりもバンドギャップの狭い半導体組成としては、インジウムアンチモン(InSb)や、インジウム・ガリウム・アンチモン(InGaSb)、インジウム・ヒ素・アンチモン(InAsSb)が挙げられる。
For example, the
図3は、図2に示すA−A線(点線)で切断した断面におけるバンド構造の一例を示す概念図である。量子ドット145がバルク層141よりも狭バンドギャップであるため、量子ドット145内に離散化準位(量子ドット準位とも呼ぶ)が形成される。電子障壁層14を透過しようとする電子のうち、量子ドット145内の離散化準位に合致したエネルギーの電子のみが量子ドット145を介した伝導に寄与する。すなわち、本実施形態の光検出素子10においては、電子障壁層14の内部における電子の透過率を低下させ、暗電流を抑制する。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a band structure in a cross section cut along the line AA (dotted line) shown in FIG. Since the
電子障壁層14を構成するバルク半導体の格子定数は、基板11を構成する材料の格子定数と整合させることが好ましい。例えば、基板11をInPで構成する場合、電子障壁層14を構成するバルク半導体の格子定数は、InPの格子定数(5.8686オングストローム)と整合させる。電子障壁層14を構成するバルク半導体と、基板11を構成する材料とが格子整合する条件(格子整合条件)は、電子障壁層14と基板11の半導体組成の格子定数の差が1パーセント以下であることが好ましい。また、電子障壁層14と基板11の半導体組成の格子定数の差は、より好ましくは0.5パーセント以下、さらに好ましくは0.2パーセント以下である。
It is preferable that the lattice constant of the bulk semiconductor constituting the
例えば、電子障壁層14を構成する半導体組成には、基板11と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、基板11にInPを用いる場合、基板11に含まれるリン(P)が電子障壁層14に含まれてもよい。また、電子障壁層14には、基板に含まれないドーパントが含まれてもよい。
For example, the semiconductor composition constituting the
受光層15は、電子障壁層14の上面に積層される。受光層15には、所望の赤外線に対する応答のよい材料を用いる。例えば、受光層15には、バルクの化合物半導体や、少なくとも2種類の化合物半導体を積層させたタイプ2超格子構造を用いることができる。
The
タイプ2超格子構造は、少なくとも2種類の層(第1受光層・第2受光層)を短周期で交互に積層させた構造を有する。タイプ2超格子構造では、隣接し合う第1受光層と第2受光層との間におけるミニバンド間遷移を利用して、実効的に小さなバンドギャップを形成させる。タイプ2超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に異なる。言い換えると、タイプ2超格子構造では、電子と正孔とが異なる層に交互に閉じ込められる。 The type 2 superlattice structure has a structure in which at least two types of layers (first light receiving layer and second light receiving layer) are alternately laminated in a short cycle. In the type 2 superlattice structure, a small bandgap is effectively formed by utilizing the transition between mini-bands between the adjacent first light receiving layer and the second light receiving layer. In the type 2 superlattice structure, the places where electrons and holes are confined are spatially different. In other words, in a Type 2 superlattice structure, electrons and holes are alternately confined in different layers.
例えば、受光層15には、第1受光層としてインジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)層を含み、第2受光層としてGaAsSb層を含むタイプ2超格子構造を用いることができる。これ以降、InGaAs層とGaAsSb層とを交互に積層したタイプ2超格子構造をInGaAs/GaAsSbと記載する。
For example, the
例えば、タイプ2超格子構造を有する受光層15は、InGaAs/GaAsSbを数100ペア積層させて構成できる。ただし、受光層15の積層数は、ここで挙げた限りではない。例えば、タイプ2超格子構造を有する受光層15は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法、またはそれらに準ずる手法を用いて基板11の上方に成長される。なお、受光層15は、3種類以上の層を組み合わせたタイプ2超格子構造で構成してもよい。
For example, the
受光層15の結晶品質を高く保つためには、受光層15を構成するタイプ2超格子構造の格子定数が基板11を構成する材料の格子定数と整合していることが望ましい。受光層15を構成するタイプ2超格子構造と、基板11を構成する材料とが格子整合する条件(格子整合条件)は、受光層15と基板11の格子定数の差が1パーセント以下であることが好ましい。また、受光層15と基板11の格子定数の差は、より好ましくは0.5パーセント以下、さらに好ましくは0.2パーセント以下である。例えば、第1受光層の半導体組成としてIn0.52GaAsを含み、第2受光層の半導体組成としてGaAs0.55Sbを含むタイプ2超格子構造を受光層15として用いることができる。In order to maintain high crystal quality of the
受光層15には、基板11を構成する材料と格子整合する条件を満たす範囲で、他の半導体組成が添加されていても構わない。また、受光層15には、基板11に含まれる材料が含まれてもよい。例えば、基板11の半導体組成をInPとする場合、受光層15にPが含まれてもよい。また、受光層15には、基板11の材料に含まれないドーパントが混在してもよい。
Other semiconductor compositions may be added to the
第2コンタクト層16は、受光層15の上面に積層される。第2コンタクト層16は、ドーパントを含む。例えば、n型ドーパントを用いる場合、Siを用いることができる。例えば、p型ドーパントを用いる場合、BeやZnを用いることができる。第2コンタクト層16は、バッファ層12と同じ組成にすることが好ましい。なお、第2コンタクト層16は、バッファ層12と格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、基板11の材料にInPを用いる場合、InPと格子整合するInGaAsを第2コンタクト層16に用いることができる。第2コンタクト層16は、必ずしも基板11と格子整合させなくてもよいため、第1コンタクト層13と比べて材料の選択の幅が広い。
The
以上が、本実施形態の光検出素子10の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子10の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子10の構成を限定するものではない。
The above is the description of the configuration of the
〔製造方法〕
次に、光検出素子10の製造方法について図面を参照しながら説明する。図4は、光検出素子10の製造方法について説明するためのフローチャートである。〔Production method〕
Next, a method of manufacturing the
図4において、まず、基板11の上面にバッファ層12を積層する(ステップS11)。
In FIG. 4, first, the
次に、バッファ層12の上面に第1コンタクト層13を積層する(ステップS12)。第1コンタクト層13の組成は、バッファ層12と同じでもよいし、バッファ層12と格子整合する他の半導体組成であってもよい。
Next, the
次に、第1コンタクト層13の上面にバルク層141を積層する(ステップS13)。ステップS13においては、電子障壁層14の膜厚分のバルク層141を一度に積層させず、量子ドット145を形成させる位置に合わせた厚さのバルク層141を積層する。
Next, the
次に、積層途中のバルク層141の上面に量子ドット145を形成する(ステップS14)。ステップS14においては、積層途中のバルク層141の上面に、量子ドット145の材料層を薄く積層する。バルク層141と量子ドット145の材料の格子定数の差が大きいと、量子ドット145の材料層の歪みを解消するように、S−K(Stranski−Krastanov)成長モードによって量子ドット145が自己形成される。例えば、バルク層141としてAlAs0.55Sbを積層し、AlAs0.55Sbの上面にInAs0.26Sbを薄く積層すると、格子定数が8.5パーセント異なるため、S−K成長モードによってInAs0.26Sbの量子ドット145が自己形成する。Next, the
積層途中のバルク層141の上面に量子ドット145を形成する際には、フラックスを変更する。例えば、AlAs0.55Sbをバルク層141として積層している途中で、InAs0.26Sbの量子ドット145を形成する際には、As比率を0.55から0.26に変更し、Sb比率を0.45から0.74に変更する。例えば、分子線エピタキシー法を用いて量子ドット145を形成する際には、フラックスの変更に合わせてセル温度を変更する。When forming the
次に、量子ドット145を形成したバルク層141の上面にバルク層141を追加積層し、バルク層141の内部に量子ドット145を埋め込む(ステップS15)。
Next, the
電子障壁層14が完成していない場合(ステップS16でNo)、ステップS14に戻り、積層途中のバルク層141の上面に量子ドット145を形成する(ステップS14)。
When the
一方、電子障壁層14が完成した場合(ステップS16でYes)、電子障壁層14の上面に受光層15を積層する(ステップS17)。
On the other hand, when the
そして、受光層15の上面に第2コンタクト層16を積層する(ステップS18)。
Then, the
以上が、本実施形態の光検出素子10の製造方法についての説明である。光検出素子10の製造方法においては、電子障壁層14を積層する際に、バルク層141を断続的に積層する工程(ステップS13およびステップS15)と、積層途中のバルク層141の表面に量子ドット145を形成する工程(ステップS14)とを繰り返す。なお、図4のフローチャートに沿った光検出素子10の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子10の製造方法を限定するものではない。
The above is the description of the manufacturing method of the
〔赤外線検出素子〕
次に、本実施形態の光検出素子10を加工して製造される赤外線検出素子について図面を参照しながら説明する。[Infrared detection element]
Next, an infrared detection element manufactured by processing the
図5は、基板11の上面に形成した赤外線検出構造を複数のメサ構造110(検出単位とも呼ぶ)に加工した赤外線検出素子100の一例を示す模式図である。メサ構造110の最上端には、第2コンタクト層16の最上面に形成させた上部電極が位置する。
FIG. 5 is a schematic view showing an example of an
メサ構造110は、フォトリソグラフィーやウエットエッチングなどの微細加工プロセスを用いて形成できる。メサ構造110の上端に、金属蒸着とアニーリングによって電極構造を作製すれば、アレイ状に配列された検出単位を有する赤外線検出素子100を製造できる。
The
図6は、読み出し回路120に赤外線検出素子100をフリップチップ接合して構成した赤外線センサアレイ130の一例を示す模式図である。赤外線センサアレイ130は、赤外線検出素子100と、シリコン基板上に形成された読み出し回路とをフリップチップ接合することによって製造できる。
FIG. 6 is a schematic view showing an example of an
例えば、赤外線センサアレイ130の作製プロセスは、非特許文献5に開示されている。
(非特許文献5:H. S. Kim et al., “Mid-IR focal plane array based on type-II strain layer superlattice detector with nBn design,” Applied Physics Letters, vol.92, 183502, 2008)
赤外線検出素子100を動作させるためには、第1コンタクト層13に形成した下部電極(図示しない)と、第2コンタクト層16に形成した上部電極(図示しない)との間にバイアス電圧を印加する。より具体的には、下部電極側(第1コンタクト層13側)が負バイアスとなるような電圧を印加する。バンド間遷移によって赤外線を検出するタイプの受光層の場合、基板11の裏面から赤外線が入射すると、受光層15において電子と正孔とが生成される。第1コンタクト層13と第2コンタクト層16との間にバイアス電圧が印加されているため、電子は上部電極側(第2コンタクト層16側)に伝導し、正孔は下部電極側(第1コンタクト層13側)に伝導する。For example, the manufacturing process of the
(Non-Patent Document 5: HS Kim et al., “Mid-IR focal plane array based on type-II strain layer superlattice detector with nBn design,” Applied Physics Letters, vol.92, 183502, 2008)
In order to operate the
以上のように、本実施形態の光検出素子は、コンタクト層と受光層との間に、量子ドットを含む電子障壁層を挟み込む。本実施形態の光検出素子の電子障壁層は、電子障壁層の積層途中に、電子障壁層の半導体組成よりも格子定数が長く狭バンドギャップの半導体組成からなる量子ドットを自己形成させることによって構成できる。本実施形態の光検出素子によれば、量子ドットを含む電子障壁層によって、電子の透過率を低下させることができるため、暗電流を効率的に抑制できる。 As described above, in the photodetector element of the present embodiment, an electron barrier layer containing quantum dots is sandwiched between the contact layer and the light receiving layer. The electron barrier layer of the photodetector of the present embodiment is configured by self-forming quantum dots having a narrow bandgap semiconductor composition with a longer lattice constant than the semiconductor composition of the electron barrier layer during the lamination of the electron barrier layer. it can. According to the photodetector of the present embodiment, the electron barrier layer containing the quantum dots can reduce the electron transmittance, so that the dark current can be efficiently suppressed.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る光検出素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、タイプ1超格子構造を有する電子障壁層の内部に量子ドットが含まれる点で第1の実施形態とは異なる。以下において、第1の実施形態の光検出素子10と同様の構成・機能については説明を省略する場合がある。(Second Embodiment)
Next, the photodetector element according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The photodetector of the present embodiment is different from the first embodiment in that quantum dots are included inside the electron barrier layer having a type 1 superlattice structure. In the following, description of the same configuration and function as the
図7は、本実施形態の光検出素子20の構成の一例を示す模式図である。図7のように、光検出素子20は、基板21、バッファ層22、第1コンタクト層23、電子障壁層24、受光層25、および第2コンタクト層26を備える。なお、図7は、光検出素子20の構成を概念的に示すものであり、各構成の縮尺を正確に表していない。
FIG. 7 is a schematic view showing an example of the configuration of the
基板21は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板21は、第1の実施形態の基板11と同様である。
The
バッファ層22は、基板21の上面に形成される。バッファ層22は、第1の実施形態のバッファ層12と同様である。
The
第1コンタクト層23は、バッファ層22の上面に形成される。第1コンタクト層23は、第1の実施形態の第1コンタクト層13と同様である。
The
電子障壁層24は、第1コンタクト層23の上面に積層される。電子障壁層24は、量子ドットを含むタイプ1超格子構造を有する。タイプ1超格子構造は、第1のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される層によって、第1のバンドギャップよりも狭い第2のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される層を挟み込んだ構造を有する。タイプ1超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に同じである。電子障壁層24に含まれるタイプ1超格子構造は、少なくとも2種類の層を短周期で交互に積層させた構造を有する。以下においては、2種類の層を交互に積層したタイプ1超格子構造を含む電子障壁層24を例に挙げて説明する。なお、電子障壁層24は、3種類以上の層を組み合わせて構成してもよい。
The
図8は、電子障壁層24の構成の一例を示す概念図である。図8のように、電子障壁層24は、第1のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第1障壁層241と、第2のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第2障壁層242とを交互に積層したタイプ1超格子構造を有する。量子ドット245は、第1障壁層241の上面に形成され、第2障壁層242(井戸層に相当)の内部に埋め込まれる。量子ドット245は、第2障壁層242よりも狭い第3のバンドギャップを有する。量子ドット245は、電子障壁層24の結晶成長の途中で、第1障壁層241の材料よりも格子定数の大きい半導体組成を数分子層積層した際に、界面の歪みが解消されるように自然形成される。なお、量子ドット245は、第2障壁層の内部のいずれに形成させていてもよいが、本実施形態では第1障壁層241の成長直後に形成する例を示す。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the
量子ドット245には、第1の実施形態と同様に、InSbやInGaSb、InAsSb等を用いることができる。以下においては、AlAsSbを第1障壁層241とし、GaAsSbを第2障壁層242とするAlAsSb/GaAsSb超格子をタイプ1超格子構造として含む電子障壁層24を例に挙げる。
As the
例えば、基板21としてInP基板を用い、受光層25としてタイプ2超格子構造のInGaAs/GaAs0.55Sb超格子を用いる場合、それらの層と格子整合するAlAs0.55Sb/GaAs0.55Sb超格子を電子障壁層24として用いることができる。第1障壁層241(AlAsSb)の成長直後にInAs0.26Sbを薄く積層すると、InAsSbによって構成される量子ドット245が自己形成する。その後、量子ドット245が形成された第1障壁層241(AlAsSb)の上面に第2障壁層(GaAsSb)を積層させることによって、量子ドット245(InAsSb)を内包する第2障壁層(GaAsSb)を形成できる。For example, when an InP substrate is used as the
例えば、第2障壁層242としてGaAs0.55Sbを用いる場合、InAa0.26Sbを量子ドット245として構成できる。InAaSbのAs比率が0.26の場合、GaAs0.55SbとInAsSbの価電子帯端が一致する。InAa0.26SbとGaAs0.55Sbの価電子帯端が一致すると、正孔に対しては、第2障壁層242と量子ドット245とが等ポテンシャルになる。そのため、正孔に対しては、量子ドット245中に量子準位が形成されず、受光層25がタイプ2超格子構造を有する場合、電子障壁層24の正孔ミニバンドと受光層25の正孔ミニバンドとを連続的に形成することができる。 For example, when GaAs 0.55 Sb is used as the
一方、InAs0.26SbはGaAs0.55Sbよりも深いポテンシャルの井戸となるため、電子に対しては量子準位が形成される。電子障壁層24の内部を透過しようとする電子のうち、量子準位に合致したエネルギーの電子のみが、量子ドット245を介した伝導に寄与する。その結果、電子障壁層24の電子透過率が低下し、暗電流が抑制される。On the other hand, InAs 0.26 Sb is a well with a deeper potential than GaAs 0.55 Sb, so a quantum level is formed for electrons. Of the electrons that try to pass through the inside of the
例えば、電子障壁層24を構成するタイプ1超格子構造の格子定数は、基板21を構成する材料の格子定数と整合させることが好ましい。基板21をInPで構成する場合、電子障壁層24を構成するタイプ1超格子構造の格子定数は、InPの格子定数(5.8686オングストローム)と整合させる。電子障壁層24を構成するタイプ1超格子構造と、基板21を構成する材料とが格子整合する条件(格子整合条件)は、電子障壁層24と基板21の半導体組成の格子定数の差が1パーセント以下であることが好ましい。また、電子障壁層24と基板21の半導体組成の格子定数の差は、より好ましくは0.5パーセント以下、さらに好ましくは0.2パーセント以下である。
For example, it is preferable that the lattice constant of the type 1 superlattice structure constituting the
例えば、電子障壁層24を構成するタイプ1超格子構造には、基板21と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、基板21としてInP基板を用いる場合、電子障壁層24には、基板21に含まれるリン(P)が含まれてもよい。
For example, the type 1 superlattice structure constituting the
電子障壁層24の第2障壁層(GaAsSb)におけるAs比率は、基板21と格子整合する条件であればどのような値でも構わない。例えば、電子障壁層24の第2障壁層(GaAsSb)におけるAs比率は0.55に設定できる。
The As ratio in the second barrier layer (GaAsSb) of the
一方、電子障壁層24の第1障壁層(AlAsSb)のAs比率は、0.56付近が最適値である。なぜならば、AlAsの格子定数(5.6605オングストローム)とAlSbの格子定数(6.1355オングストローム)とを線形補間すると、As比率が0.56付近でInPの格子定数(5.8686オングストローム)と一致するからである。AlAs0.55Sbは、InPとの格子定数の差が約0.1パーセントと見積もられ、上述した格子整合条件のうちで最も好ましい格子整合条件(0.2パーセント以下)を満たす。なお、電子障壁層14の第1障壁層(AlAsSb)のAs比率は0.55に限定されない。On the other hand, the optimum value of the As ratio of the first barrier layer (AlAsSb) of the
図9は、図8に示すB−B線(点線)で切断した断面におけるバンド構造の一例を示す概念図である。量子ドット245が狭バンドギャップであるため、量子ドット245内には離散化準位(量子ドット準位とも呼ぶ)が形成される。電子障壁層24を透過しようとする電子のうち、量子ドット245内の離散化準位に合致したエネルギーの電子のみが量子ドット245を介した伝導に寄与する。すなわち、本実施形態の光検出素子20においては、電子障壁層24の内部における電子の透過率を低下させ、暗電流を抑制する。
FIG. 9 is a conceptual diagram showing an example of a band structure in a cross section cut along the BB line (dotted line) shown in FIG. Since the
受光層25は、電子障壁層24の上面に積層される。受光層25は、第1の実施形態の受光層15と同様である。
The
第2コンタクト層26は、受光層25の上面に積層される。第2コンタクト層26は、第1の実施形態の第2コンタクト層16と同様である。
The
以上が、本実施形態の光検出素子20の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子20の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子20の構成を限定するものではない。
The above is the description of the configuration of the
〔製造方法〕
次に、光検出素子20の製造方法について図面を参照しながら説明する。図10は、光検出素子20の製造方法について説明するためのフローチャートである。〔Production method〕
Next, a method of manufacturing the
図10において、まず、基板21の上面にバッファ層22を積層する(ステップS21)。
In FIG. 10, first, the
次に、バッファ層22の上面に第1コンタクト層23を積層する(ステップS22)。第1コンタクト層23の組成は、バッファ層22と同じでもよいし、バッファ層22と格子整合する他の半導体組成であってもよい。
Next, the
次に、第1コンタクト層13の上面に第1障壁層241を積層する(ステップS23)。
Next, the
次に、第1障壁層241の上面に量子ドット245を形成する(ステップS24)。ステップS24においては、第1障壁層241の上面に、量子ドット245の材料層を薄く積層する。第1障壁層241と量子ドット245の材料の格子定数の差が大きいと、量子ドット245の材料層の歪みを解消するように、S−K成長モードによって量子ドット245が自己形成される。例えば、第1障壁層241としてAlAs0.55Sbを積層し、AlAs0.55Sbの上面にInAs0.26Sbを薄く積層すると、格子定数が8.5パーセント異なるため、S−K成長モードによってInAs0.26Sbの量子ドット245が自己形成する。Next,
第1障壁層241の上面に量子ドット245を形成する際には、フラックスを変更する。例えば、AlAs0.55Sbを第1障壁層241として積層している途中で、InAs0.26Sbの量子ドット245を形成する際には、As比率を0.55から0.26に変更し、Sb比率を0.45から0.74に変更する。そのため、例えば、分子線エピタキシー法を用いて量子ドット245を形成する際には、フラックスを変更するためにセル温度を変える。When forming the
次に、量子ドット245を形成した第1障壁層241の上面に第2障壁層242を積層し、第2障壁層242の内部に量子ドット245を埋め込む(ステップS25)。
Next, the
次に、第2障壁層242の上面に第1障壁層241を積層する(ステップS26)。
Next, the
電子障壁層24が完成していない場合(ステップS27でNo)、ステップS24に戻り、第1障壁層241の上面に量子ドット245を形成する(ステップS24)。
If the
一方、電子障壁層24が完成した場合(ステップS27でYes)、電子障壁層24の上面に受光層25を積層する(ステップS28)。
On the other hand, when the
そして、受光層25の上面に第2コンタクト層26を積層する(ステップS29)。
Then, the
以上が、本実施形態の光検出素子20の製造方法についての説明である。光検出素子20の製造方法においては、電子障壁層24を積層する際に、第1障壁層241を積層する工程と、第1障壁層241の表面に量子ドット245を形成する工程と、第2障壁層242の内部に量子ドット245を埋め込む工程とを繰り返す。なお、図10のフローチャートに沿った光検出素子20の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子20の製造方法を限定するものではない。
The above is the description of the manufacturing method of the
以上のように、本実施形態の光検出素子は、コンタクト層と受光層との間に、量子ドットを含むタイプ1超格子構造の電子障壁層を挟み込む。本実施形態の光検出素子の電子障壁層は、タイプ1超格子構造の電子障壁層を構成する第2障壁層の内部に、第1障壁層および第2障壁層の半導体組成よりも格子定数が長く狭バンドギャップの半導体組成からなる量子ドットを自己形成させることによって構成できる。 As described above, the photodetector element of the present embodiment sandwiches an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure containing quantum dots between the contact layer and the light receiving layer. The electron barrier layer of the photodetector of the present embodiment has a lattice constant inside the second barrier layer constituting the electron barrier layer of the type 1 superlattice structure, rather than the semiconductor composition of the first barrier layer and the second barrier layer. It can be constructed by self-forming quantum dots having a long, narrow bandgap semiconductor composition.
例えば、電子障壁層は、第1のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第1障壁層と、第1のバンドギャップよりも狭い第2のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第2障壁層とのペアを積層させたタイプ1超格子構造を有する。第2障壁層は、第2のバンドギャップよりも狭い第3のバンドギャップを有し、かつ第1障壁層および第2障壁層の半導体組成よりも格子定数が大きい半導体組成の量子ドットを含む。例えば、電子障壁層は、第1障壁層の上面に自己形成された量子ドットを含む。 For example, the electron barrier layer is a first barrier layer composed of a semiconductor composition having a first bandgap and a second barrier composed of a semiconductor composition having a second bandgap narrower than the first bandgap. It has a type 1 superlattice structure in which pairs with layers are laminated. The second barrier layer contains quantum dots having a semiconductor composition having a third bandgap narrower than the second bandgap and having a lattice constant larger than the semiconductor composition of the first barrier layer and the second barrier layer. For example, the electron barrier layer contains quantum dots self-formed on the upper surface of the first barrier layer.
例えば、受光層は、第1受光層と第2受光層とのペアを積層させたタイプ2超格子構造を有する。例えば、量子ドットと第2障壁層の価電子帯が一致し、受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する。 For example, the light receiving layer has a type 2 superlattice structure in which a pair of a first light receiving layer and a second light receiving layer is laminated. For example, the quantum dots and the valence band of the second barrier layer match, and either the valence band edge of the light receiving layer or the hole miniband coincides with the hole miniband of the electron barrier layer.
例えば、受光層は、第1受光層の半導体組成がInGaAsを含み、第2受光層の半導体組成がGaAsSbを含む。例えば、受光層は、第1受光層の半導体組成がIn0.52GaAsを含み、第2受光層の半導体組成がGaAs0.55Sbを含む。例えば、電子障壁層は、第1障壁層の半導体組成がAlAsSbを含み、第2障壁層の半導体組成がGaAsSbを含み、量子ドットの半導体組成がInAsSbを含む。例えば、電子障壁層は、第1障壁層と第2障壁層の半導体組成のV族元素中におけるAsの比率が等しい。なお、V族元素とは、元素周期表の第15族に属する元素の総称である。例えば、AsやSb、P等が代表的なV族元素である。例えば、電子障壁層は、第1障壁層の半導体組成がAlAs0.55Sbを含み、第2障壁層の半導体組成がGaAs0.55Sbを含み、量子ドットの半導体組成がInAs0.26Sbを含む。For example, in the light receiving layer, the semiconductor composition of the first light receiving layer contains InGaAs, and the semiconductor composition of the second light receiving layer contains GaAsSb. For example, in the light receiving layer, the semiconductor composition of the first light receiving layer contains In 0.52 GaAs, and the semiconductor composition of the second light receiving layer contains GaAs 0.55 Sb. For example, in the electron barrier layer, the semiconductor composition of the first barrier layer contains AlAsSb, the semiconductor composition of the second barrier layer contains GaAsSb, and the semiconductor composition of the quantum dots contains InAsSb. For example, in the electron barrier layer, the ratio of As in the group V elements of the semiconductor composition of the first barrier layer and the second barrier layer is equal. The Group V element is a general term for elements belonging to Group 15 of the Periodic Table of the Elements. For example, As, Sb, P and the like are typical Group V elements. For example, in the electron barrier layer, the semiconductor composition of the first barrier layer contains AlAs 0.55 Sb, the semiconductor composition of the second barrier layer contains GaAs 0.55 Sb, and the semiconductor composition of the quantum dots contains InAs 0.26 Sb.
本実施形態の光検出素子によれば、タイプ1超格子構造の電子障壁層に量子ドットが含まれるため、第1の実施形態と比べて、電子障壁層における電子の透過率を低下させ、暗電流をさらに抑制できる。 According to the photodetector of the present embodiment, since the electron barrier layer of the type 1 superlattice structure contains quantum dots, the electron transmittance in the electron barrier layer is lowered as compared with the first embodiment, resulting in darkening. The current can be further suppressed.
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係る光検出素子30について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子30は、第1の実施形態の光検出素子10や第2の実施形態の光検出素子20を上位概念化した構成である。(Third Embodiment)
Next, the
図11は、本実施形態の光検出素子30の構成の一例を示す概念図である。図11のように、光検出素子30は、基板31、電子障壁層34、および受光層35を備える。
FIG. 11 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the
基板31は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板31は、第1の実施形態の基板11と同様である。
The
電子障壁層34は、受光層35に接して形成され、複数の量子ドット345を含む。電子障壁層34の基材と量子ドット345を構成する半導体組成は、格子定数が異なる。電子障壁層34は、第1の実施形態の電子障壁層14または第2の実施形態の電子障壁層24と同様である。
The
例えば、電子障壁層34は、複数の量子ドット345が埋め込まれたバルク半導体を含む。バルク半導体よりも量子ドット345の半導体組成の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい。
For example, the
例えば、バルク半導体は、AlGaSbの半導体組成で構成され、量子ドット345は、InSb、InGaSb、およびInAsSbから成る群より選ばれる半導体組成で構成される。
For example, a bulk semiconductor is composed of a semiconductor composition of AlGaSb, and a
例えば、電子障壁層34は、複数の量子ドット345が埋め込まれたタイプ1超格子構造によって構成される。例えば、電子障壁層34は、第1のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第1障壁層と、第1のバンドギャップよりも狭い第2のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第2障壁層とのペアを積層させたタイプ1超格子構造を有する。例えば、第2障壁層は、第2のバンドギャップよりも狭い第3のバンドギャップを有し、かつ第2障壁層の半導体組成よりも格子定数が大きい半導体組成の量子ドット345を含む。例えば、電子障壁層34は、第1障壁層の上面に自己形成された量子ドット345を含む。
For example, the
例えば、電子障壁層34は、第1障壁層の半導体組成がAlAsSbを含み、第2障壁層の半導体組成がGaAsSbを含み、量子ドットの半導体組成がInAsSbを含む。例えば、電子障壁層34は、第1障壁層と第2障壁層の半導体組成のV族元素中におけるAsの比率が等しい。
For example, in the
受光層35は、基板31の上方に形成され、電子障壁層34に接して形成される。受光層35は、第1の実施形態の受光層15と同様である。なお、受光層35は、基板31の上面に接していなくてもよく、図示しないバッファ層やコンタクト層を挟んで、基板31の上方に形成される。
The
例えば、受光層35は、互いにバンドギャップの異なる第1受光層と第2受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する。
For example, the
例えば、電子障壁層34は、第1障壁層の半導体組成がAlAs0.55Sbを含み、第2障壁層の半導体組成がGaAs0.55Sbを含み、量子ドットの半導体組成がInAs0.26Sbを含む。例えば、受光層35は、第1受光層の半導体組成がIn0.52GaAsを含み、第2受光層の半導体組成がGaAs0.55Sbを含む。For example, in the
例えば、電子障壁層34および受光層35のうち少なくとも一方がPを含む。
For example, at least one of the
例えば、光検出素子30は、電子障壁層34および受光層35を挟み込む2つのコンタクト層を備え、2つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がn型ドーパントを含む。例えば、光検出素子30は、2つのコンタクト層のいずれかと基板31との間に、基板31と同一材料によって構成され、基板31の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える。
For example, the
本実施形態の光検出素子によれば、第1および第2の実施形態と同様に、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供できる。 According to the photodetector of the present embodiment, it is possible to provide a photodetector in which the generation of dark current is suppressed, as in the first and second embodiments.
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態に係る赤外線検出装置(赤外線カメラとも呼ぶ)について図面を参照しながら説明する。本実施形態の赤外線検出装置は、第1〜第3の実施形態のいずれかの光検出素子を備える。(Fourth Embodiment)
Next, the infrared detection device (also referred to as an infrared camera) according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The infrared detection device of this embodiment includes a photodetector according to any one of the first to third embodiments.
図12は、本実施形態の赤外線検出装置40の構成の一例を示す概念図である。図12のように、赤外線検出装置40は、赤外線光学系41、赤外線検出素子42、読み出し回路43、および出力回路44を備える。
FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the
赤外線光学系41は、赤外線検出素子42の受光部に赤外光を集光するレンズを含む。赤外線光学系41は、少なくとも1枚のレンズを含む。赤外線光学系41のレンズは、赤外光の透過率が高く、赤外線検出素子42の受光面に赤外光を屈折させる材料で構成される。例えば、赤外線光学系41のレンズの材料には、ゲルマニウムやシリコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、カルコゲナイドガラスなどを適用できる。赤外線光学系41のレンズは、検出対象の赤外光の波長によって選択すればよい。なお、赤外線光学系41は、特定の波長領域の光を遮蔽したり、透過させたりするフィルタを含んでもよい。また、赤外線光学系41は、赤外線検出素子42の受光部に赤外光が導光されるための反射鏡や、赤外線の光量を制御するための絞りを含んでもよい。
The infrared
赤外線検出素子42は、第1〜第3の実施形態の光検出素子をアレイ状に加工することによって形成された赤外光検出構造を有する。言い換えると、赤外線検出素子42は、所望の赤外線に対する透過率の高い基板上に、例えばタイプ2超格子構造の受光層と、タイプ1超格子構造の電子障壁層とを積層した検出単位がアレイ状に配列された構造を有する。アレイ状に加工された赤外線検出素子42の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが独立して赤外線を検知する。アレイ状に加工された赤外線検出素子42の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが赤外画像の画素に対応する。
The
読み出し回路43は、赤外線検出素子42に接続される。例えば、読み出し回路43は、図6のように、赤外線検出素子42とフリップチップ接合される。赤外線検出素子42と読み出し回路43とによって、赤外線センサアレイが構成される。読み出し回路43は、赤外線検出素子42によって検出される赤外線を赤外線検出素子42の検出単位(画素)ごとに読み出す。
The
出力回路44は、読み出し回路43によって検出される赤外光に基づいた信号を出力する。例えば、出力回路44は、読み出し回路43によって検出される赤外光に基づいた信号を外部のシステムに出力する。例えば、出力回路44は、読み出し回路43によって検出される赤外光に基づいた信号から赤外画像を生成し、生成した赤外画像を自装置に設置されたモニターに表示させてもよい。
The
赤外線検出装置40は、赤外線検出素子42を冷却する冷却装置を含んでもよい。例えば、赤外線検出素子42を冷却する冷却装置にはペルチェ素子などを用いることができる。赤外線検出素子42を低温に冷却すれば、熱雑音を低減できるため感度が向上する。また、赤外線検出素子42を低温に冷却すれば、赤外光に対する応答速度を維持できる。
The
以上のように、本実施形態によれば、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を搭載する赤外線カメラを提供できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide an infrared camera equipped with a photodetector element having high sensitivity to infrared rays in a desired wavelength region and suppressing the generation of dark current.
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the structure and details of the present invention within the scope of the present invention.
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
基板と、
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子。
(付記2)
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたバルク半導体を含み、
前記バルク半導体よりも前記量子ドットの半導体の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい付記1に記載の光検出素子。
(付記3)
前記バルク半導体は、
AlGaSbの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
InSb、InGaSb、およびInAsSbから成る群より選ばれる半導体で構成される付記2に記載の光検出素子。
(付記4)
前記バルク半導体は、
AlGaSbの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
InAsSbの半導体で構成される付記2に記載の光検出素子。
(付記5)
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたタイプ1超格子構造によって構成される付記1に記載の光検出素子。
(付記6)
前記電子障壁層は、
第1のバンドギャップを有する半導体によって構成される第1障壁層と、前記第1のバンドギャップよりも狭い第2のバンドギャップを有する半導体によって構成される第2障壁層とのペアを積層させたタイプ1超格子構造を有し、
前記第2障壁層は、
前記第2のバンドギャップよりも狭い第3のバンドギャップを有し、かつ前記第1障壁層および前記第2障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む付記5に記載の光検出素子。
(付記7)
前記電子障壁層は、
前記第1障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む付記6に記載の光検出素子。
(付記8)
前記受光層は、
互いにバンドギャップの異なる第1受光層と第2受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する付記1乃至7のいずれか一項に記載の光検出素子。
(付記9)
前記受光層は、
第1受光層と第2受光層とのペアを積層させたタイプ2超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第2障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する付記6または7に記載の光検出素子。
(付記10)
前記受光層は、
前記第1受光層の半導体がInGaAsを含み、
前記第2受光層の半導体がGaAsSbを含む付記9に記載の光検出素子。
(付記11)
前記受光層は、
前記第1受光層の半導体がIn0.52GaAsを含み、
前記第2受光層の半導体がGaAs0.55Sbを含む付記9に記載の光検出素子。
(付記12)
前記電子障壁層は、
前記第1障壁層の半導体がAlAsSbを含み、
前記第2障壁層の半導体がGaAsSbを含み、
前記量子ドットの半導体がInAsSbを含む付記9乃至11のいずれか一項に記載の光検出素子。
(付記13)
前記電子障壁層は、
前記第1障壁層と前記第2障壁層の半導体のV族元素中におけるAsの比率が等しい付記12に記載の光検出素子。
(付記14)
前記電子障壁層は、
前記第1障壁層の半導体がAlAs0.55Sbを含み、
前記第2障壁層の半導体がGaAs0.55Sbを含み、
前記量子ドットの半導体がInAs0.26Sbを含む付記9乃至11のいずれか一項に記載の光検出素子。
(付記15)
前記電子障壁層および前記受光層のうち少なくとも一方がPを含む付記1乃至14のいずれか一項に記載の光検出素子。
(付記16)
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む2つのコンタクト層を備え、
2つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がn型ドーパントを含む付記1乃至15のいずれか一項に記載の光検出素子。
(付記17)
2つの前記コンタクト層のいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える付記16に記載の光検出素子。
(付記18)
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する付記1乃至17のいずれか一項に記載の光検出素子。
(付記19)
付記18に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。Some or all of the above embodiments may also be described, but not limited to:
(Appendix 1)
With the board
A light receiving layer formed above the substrate and
An electron barrier layer formed in contact with the light receiving layer and containing a plurality of quantum dots is provided.
A photodetector whose lattice constant is different between the semiconductor base material of the electron barrier layer and the semiconductor constituting the quantum dot.
(Appendix 2)
The electron barrier layer is
Including a bulk semiconductor in which the plurality of the quantum dots are embedded,
The photodetector according to Appendix 1, wherein the quantum dot semiconductor has a narrower bandgap and a larger lattice constant than the bulk semiconductor.
(Appendix 3)
The bulk semiconductor is
Consists of AlGaSb semiconductors
The quantum dots are
The photodetector according to Appendix 2, which is composed of a semiconductor selected from the group consisting of InSb, InGaSb, and InAsSb.
(Appendix 4)
The bulk semiconductor is
Consists of AlGaSb semiconductors
The quantum dots are
The photodetector according to Appendix 2, which is composed of an InAsSb semiconductor.
(Appendix 5)
The electron barrier layer is
The photodetector according to Appendix 1, which is composed of a type 1 superlattice structure in which a plurality of the quantum dots are embedded.
(Appendix 6)
The electron barrier layer is
A pair of a first barrier layer composed of a semiconductor having a first bandgap and a second barrier layer composed of a semiconductor having a second bandgap narrower than the first bandgap was laminated. Has a type 1 superlattice structure,
The second barrier layer is
The appendix 5 comprising the quantum dots of a semiconductor having a third bandgap narrower than the second bandgap and having a lattice constant larger than that of the semiconductor of the first barrier layer and the second barrier layer. Light detection element.
(Appendix 7)
The electron barrier layer is
The photodetector according to Appendix 6, which includes the quantum dots self-formed on the upper surface of the first barrier layer.
(Appendix 8)
The light receiving layer is
The photodetector according to any one of Supplementary note 1 to 7, which has a superlattice structure in which a pair of a first light receiving layer and a second light receiving layer having different band gaps are laminated.
(Appendix 9)
The light receiving layer is
It has a type 2 superlattice structure in which a pair of a first light receiving layer and a second light receiving layer are laminated.
The quantum dot and the valence band of the second barrier layer coincide with each other, and any of the valence band edge and the hole miniband of the light receiving layer and the hole miniband of the electron barrier layer substantially coincide with each other. 7. The light detection element according to 7.
(Appendix 10)
The light receiving layer is
The semiconductor of the first light receiving layer contains InGaAs and contains InGaAs.
The photodetector according to Appendix 9, wherein the semiconductor of the second light receiving layer contains GaAsSb.
(Appendix 11)
The light receiving layer is
The semiconductor of the first light receiving layer contains In 0.52 GaAs and contains In 0.52 GaAs.
The photodetector according to Appendix 9, wherein the semiconductor of the second light receiving layer contains GaAs 0.55 Sb.
(Appendix 12)
The electron barrier layer is
The semiconductor of the first barrier layer contains AlAsSb and contains
The semiconductor of the second barrier layer contains GaAsSb and contains
The photodetector according to any one of Supplementary note 9 to 11, wherein the quantum dot semiconductor contains InAsSb.
(Appendix 13)
The electron barrier layer is
The photodetector according to
(Appendix 14)
The electron barrier layer is
The semiconductor of the first barrier layer contains AlAs 0.55 Sb and contains.
The semiconductor of the second barrier layer contains GaAs 0.55 Sb and contains.
The photodetector according to any one of Supplementary note 9 to 11, wherein the quantum dot semiconductor contains InAs 0.26 Sb.
(Appendix 15)
The photodetector according to any one of Supplementary note 1 to 14, wherein at least one of the electron barrier layer and the light receiving layer contains P.
(Appendix 16)
The two contact layers that sandwich the electron barrier layer and the light receiving layer are provided.
The photodetector according to any one of Appendix 1 to 15, wherein at least one of the two contact layers contains an n-type dopant.
(Appendix 17)
The photodetector according to
(Appendix 18)
The photodetector according to any one of Supplementary note 1 to 17, wherein the detection unit including at least the electron barrier layer and the light receiving layer has an infrared detection structure in which the detection units are arranged in an array on a substrate.
(Appendix 19)
The photodetector according to Appendix 18,
A readout circuit that is flip-chip bonded to the photodetector and reads out infrared light detected by the photodetector for each detection unit.
An infrared optical system that converges infrared light on the infrared detection structure of the photodetector,
An infrared detection device including an output circuit that outputs a signal based on infrared light detected for each detection unit.
10、20、30 光検出素子
11、21、31 基板
12、22 バッファ層
13、23 第1コンタクト層
14、24、34 電子障壁層
15、25、35 受光層
16、26 第2コンタクト層
40 赤外線検出装置
41 赤外線光学系
42 赤外線検出素子
43 読み出し回路
44 出力回路
141 バルク層
145、245、345 量子ドット
241 第1障壁層
242 第2障壁層10, 20, 30
Claims (19)
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子。With the board
A light receiving layer formed above the substrate and
An electron barrier layer formed in contact with the light receiving layer and containing a plurality of quantum dots is provided.
A photodetector whose lattice constant is different between the semiconductor base material of the electron barrier layer and the semiconductor constituting the quantum dot.
複数の前記量子ドットが埋め込まれたバルク半導体を含み、
前記バルク半導体よりも前記量子ドットの半導体の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい請求項1に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
Including a bulk semiconductor in which the plurality of the quantum dots are embedded,
The photodetector according to claim 1, wherein the quantum dot semiconductor has a narrower bandgap and a larger lattice constant than the bulk semiconductor.
AlGaSbの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
InSb、InGaSb、およびInAsSbから成る群より選ばれる半導体で構成される請求項2に記載の光検出素子。The bulk semiconductor is
Consists of AlGaSb semiconductors
The quantum dots are
The photodetector according to claim 2, wherein the photodetector is composed of a semiconductor selected from the group consisting of InSb, InGaSb, and InAsSb.
AlGaSbの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
InAsSbの半導体で構成される請求項2に記載の光検出素子。The bulk semiconductor is
Consists of AlGaSb semiconductors
The quantum dots are
The photodetector according to claim 2, which is made of a semiconductor of InAsSb.
複数の前記量子ドットが埋め込まれたタイプ1超格子構造によって構成される請求項1に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
The photodetector according to claim 1, further comprising a type 1 superlattice structure in which a plurality of the quantum dots are embedded.
第1のバンドギャップを有する半導体によって構成される第1障壁層と、前記第1のバンドギャップよりも狭い第2のバンドギャップを有する半導体によって構成される第2障壁層とのペアを積層させたタイプ1超格子構造を有し、
前記第2障壁層は、
前記第2のバンドギャップよりも狭い第3のバンドギャップを有し、かつ前記第1障壁層および前記第2障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む請求項5に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
A pair of a first barrier layer composed of a semiconductor having a first bandgap and a second barrier layer composed of a semiconductor having a second bandgap narrower than the first bandgap was laminated. Has a type 1 superlattice structure,
The second barrier layer is
The fifth aspect of claim 5 includes the quantum dots of a semiconductor having a third bandgap narrower than the second bandgap and having a lattice constant larger than that of the semiconductor of the first barrier layer and the second barrier layer. Light detection element.
前記第1障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む請求項6に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
The photodetector according to claim 6, further comprising the quantum dots self-formed on the upper surface of the first barrier layer.
互いにバンドギャップの異なる第1受光層と第2受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光検出素子。The light receiving layer is
The photodetector according to any one of claims 1 to 7, which has a superlattice structure in which a pair of a first light receiving layer and a second light receiving layer having different band gaps are laminated.
第1受光層と第2受光層とのペアを積層させたタイプ2超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第2障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する請求項6または7に記載の光検出素子。The light receiving layer is
It has a type 2 superlattice structure in which a pair of a first light receiving layer and a second light receiving layer are laminated.
6. The quantum dot and the valence band of the second barrier layer match, and any one of the valence band edge and the hole miniband of the light receiving layer and the hole miniband of the electron barrier layer substantially match. Or the light detection element according to 7.
前記第1受光層の半導体がInGaAsを含み、
前記第2受光層の半導体がGaAsSbを含む請求項9に記載の光検出素子。The light receiving layer is
The semiconductor of the first light receiving layer contains InGaAs and contains InGaAs.
The photodetector according to claim 9, wherein the semiconductor of the second light receiving layer includes GaAsSb.
前記第1受光層の半導体がIn0.52GaAsを含み、
前記第2受光層の半導体がGaAs0.55Sbを含む請求項9に記載の光検出素子。The light receiving layer is
The semiconductor of the first light receiving layer contains In 0.52 GaAs and contains In 0.52 GaAs.
The photodetector according to claim 9, wherein the semiconductor of the second light receiving layer includes GaAs 0.55 Sb.
前記第1障壁層の半導体がAlAsSbを含み、
前記第2障壁層の半導体がGaAsSbを含み、
前記量子ドットの半導体がInAsSbを含む請求項9乃至11のいずれか一項に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
The semiconductor of the first barrier layer contains AlAsSb and contains
The semiconductor of the second barrier layer contains GaAsSb and contains
The photodetector according to any one of claims 9 to 11, wherein the quantum dot semiconductor includes InAsSb.
前記第1障壁層と前記第2障壁層の半導体のV族元素中におけるAsの比率が等しい請求項12に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
The photodetector according to claim 12, wherein the ratio of As in the group V elements of the semiconductor of the first barrier layer and the second barrier layer is the same.
前記第1障壁層の半導体がAlAs0.55Sbを含み、
前記第2障壁層の半導体がGaAs0.55Sbを含み、
前記量子ドットの半導体がInAs0.26Sbを含む請求項9乃至11のいずれか一項に記載の光検出素子。The electron barrier layer is
The semiconductor of the first barrier layer contains AlAs 0.55 Sb and contains.
The semiconductor of the second barrier layer contains GaAs 0.55 Sb and contains.
The photodetector according to any one of claims 9 to 11, wherein the quantum dot semiconductor contains InAs 0.26 Sb.
2つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がn型ドーパントを含む請求項1乃至15のいずれか一項に記載の光検出素子。The two contact layers that sandwich the electron barrier layer and the light receiving layer are provided.
The photodetector according to any one of claims 1 to 15, wherein at least one of the two contact layers contains an n-type dopant.
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。The photodetector according to claim 18,
A readout circuit that is flip-chip bonded to the photodetector and reads out infrared light detected by the photodetector for each detection unit.
An infrared optical system that converges infrared light on the infrared detection structure of the photodetector,
An infrared detection device including an output circuit that outputs a signal based on infrared light detected for each detection unit.
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