(57)【要約】【課題】量子ドット層によって光電変換層が形成された量子ドット型赤外線検知素子の量子効率を大きくすること。【解決手段】半導体基板と、同一平面上に形成された複数の量子ドットと前記量子ドットを覆う中間層を有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、前記歪緩衝層を介して複数の前記光電変換層が積層されていること。【選択図】    図４
2010103202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、
前記半導体基板に整合した、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、
前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されてなることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
【請求項２】
請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
光の入射面に対向する表面に形成された、赤外線を反射する反射金属層を有することを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
【請求項３】
請求項２に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
前記表面からの距離が検出対象の光が有する波長の半分の自然数倍となる位置に、前記歪緩衝層の内部が位置するように形成されていることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
前記歪緩衝層の厚さが、５０ｎｍ以上５μｍ以下であり、
前記中間層の厚さが、３０ｎｍ以上で且つ５０ｎｍより薄いことを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
前記量子ドットが、ＩｎＡｓ及びＩｎＧａＡｓの何れか一方で形成されており、
前記中間層が、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓの何れか一方で形成されていることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
【請求項６】
半導体基板と、複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されてなる量子ドット型赤外線検知素子と、
前記ｐ型半導体層に接する前記光電変換層に正電位を供給し、
前記ｎ型半導体層に接する前記光電変換層に負電位を供給する電圧発生源を具備する赤外線検出装置。
【請求項７】
半導体基板と、複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が積層された歪緩衝層と、光の入射面に対向する表面に形成された、赤外線を反射する反射金属層を具備し、前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されてなる量子ドット型赤外線検知素子と、
前記ｐ型半導体層に接する前記光電変換層に正電位を供給し、
前記ｎ型半導体層に接する前記光電変換層に負電位を供給する電圧発生源を具備する赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット層を光電変換層とする量子ドット型赤外線検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の量子ドット層が積層されて光電変換層が形成される量子ドット赤外線検知素子（Quantum Dot Infrared Photodetector; QDIP）は、基板に垂直入射する赤外線に対しても感度を有している。このため量子ドット赤外線検知素子（量子ドット型赤外線検知素子とも呼ばれる）、は、垂直入射光の検出が困難な量子井戸赤外線検出素子（Quantum Well Infrared Photodetector; QWIP）より優れた検出器になり得ると期待されている。また、量子ドット赤外線検知素子は、量子井戸赤外線検出素子より暗電流が小さくなるという点でも優れていいる（非特許文献１）。
【０００３】
図１は、量子ドット赤外線検知素子２の一構成例を説明する要部断面図である。
【０００４】
図１に示す量子ドット赤外線検知素子２は、ｎ型ＧａＡｓ製の第１の電極層４と、光電変換層６と、ｎ型ＧａＡｓ製の第２の電極層８と、金属製の反射金属層１０を具備している。
【０００５】
そして、光電変換層６の内部では、同一平面上にＩｎＡｓ製の量子ドット１２が多数形成され、ｉ型ＡｌＧａＡｓ製の中間層１４がこの量子ドット１２を覆っている。これら多数の量子ドット１２と中間層１４によって形成される量子ドット層１６が複数積層され、光電変換層６が形成されている。ここで、量子ドット１２は、分子線エピタキシャル装置等を用いて、Stranski-Krastanov(SK)モード等の自己組織化形成法によって形成される。
【０００６】
第１及び第２の電極層４,８には夫々電極（図示せず）が設けられ、この電極に外部回路（図示せず）が接続される。外部回路は、第１及び第２の電極層４,８に電圧を印加して、量子ドット赤外線検知素子２から光電流を取り出して検出する。
【０００７】
検出対象の赤外線２０は、ｎ型ＧａＡｓ製の基板２１の裏面から、量子ドット赤外線検知素子２に入射する。裏面から入射した赤外線２０の一部は、光電変換層６の量子ドット１２によって吸収され、電子２２を量子ドットの励起準位に励起する。励起された電子２２は、第１及び第２の電極層４,８の間に印加された電圧によって光電変換層６の内部に形成される電界によって、量子ドット１２から引き離されて正電位が印加された電極層に向かって流される。
【０００８】
量子ドット１２によって吸収されなかった残りの赤外線２０´は、反射金属層１０によって反射され光電変換層６に再入射する。反射された赤外線２０´の一部は、光電変換層６によって吸収される。この光吸収層６への赤外線の再入射によって、量子ドット赤外線検知素子２の量子効率は高くなる。
【０００９】
図２は、量子ドット１２の伝導帯の状態を説明するバンド図である。量子ドット１２の伝導帯には、基底準位２４と励起準位２６が形成されている。量子ドット赤外線検知素子２は、基底準位２４が電子で満たされるように形成される。一方、励起準位２６は空の状態になるように、量子ドット赤外線検知素子２は形成される。
【００１０】
量子ドット１２に、基底準位２４と励起準位２６のエネルギー差に相当する波長の赤外線２０が入射すると、基底準位２４を満たしている電子が励起準位２６に励起される（所謂、サブバンド間遷移）。励起された電子は、中間層６に印加された電界２８によって、励起準位２８から中間層１４の伝導帯に遷移させられ、更に電界から力を受けて正電位が印加された電極層に向かって流されて行く。尚、図２には、励起準位２６が、中間層６の伝導帯端３０より低エネルギーに形成された場合が示されている。しかし、励起準位２６は必ずしも中間層の伝導帯端より低エネルギーに形成される必要はなく、中間層６の伝導帯端３０より高エネルギーに形成されてもよい。
【非特許文献１】K. W. Berryman, S. A. Lyon, and Mordechai Segev. Appl. Phys. Lett. 70, 1861(1977).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
量子ドット層１６の、一層当たりの量子効率は低い。このため量子ドット赤外線検知素子２では、複数の量子ドット層１６が積層され、更に赤外線の入射面に対向する表面に反射金属層１０を設けて量子効率を高められている。
【００１２】
励起準位２６からの中間層１４へ放出される単位時間当たりの電子数は、電界２８が小さくなると減少し、電界２８が増大すると大きくなる。そこで、量子ドット赤外線検知素子２では、中間層１４が必要以上に厚くなって電界２８が小さくなることのないように、例えば５０ｎｍ程度の厚さに中間層１４の厚さが制限される。
【００１３】
量子ドット１２となる半導体（例えば、ＩｎＡｓ）と、下地となる中間層１４を形成する半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ）は格子定数が異なっている。この格子定数の違いによって量子ドットとなる半導体層内に格子歪が蓄積し、蓄積した格子歪エネルギーが駆動力となって、量子ドット１２が形成される。
【００１４】
一方、量子ドット１２に接する中間層１４にも、量子ドット１２とは反対方向の歪みが発生する。この格子歪は、量子ドット１２に直接接する位置で最も大きく、量子ドット１２から成膜方向に遠ざかるに従い弱くなる。上述した、中間層１４層としての好ましい厚さ５０ｎｍは、中間層１４の表面で、この格子歪（中間層の格子歪）が略消失する厚さである。
【００１５】
しかし、このような厚さに形成した中間層の表面でも、格子歪は完全には消失していない。このため、積層する量子ドット層１６の層数が増えると、蓄積された格子歪により光電変換層に結晶欠陥（転移）が発生し、遂には量子ドット赤外線検知素子２の性能が著しく低下してしまう。
【００１６】
このため、積層可能な量子ドット層１６の厚さは高々２０層程度であり、量子ドット赤外線検知素子２の量子効率は高々１％程度でしかない。
【００１７】
そこで、本発明者等は、中間層１４と同じ半導体材料（例えば、ＡｌＧａＡｓ）によって形成される歪緩衝層３２を、光電変換層６の内部に挿入した量子ドット赤外線検知素子を開発した。
【００１８】
図３は、歪緩衝層３２を備えた量子ドット赤外線検知素子３４の構成を説明する要部断面図である。図３に示すように、光電変換層６の内部に歪緩衝層３２が挿入されている点で、本発明者等の開発した量子ドット赤外線検知素子３４は、図１を参照して説明した従来の量子ドット赤外線検知素子２と異なっている。
【００１９】
図３に示すように、光電変換層６は、例えば、１５層の量子ドット層１６が積層された第１の光電変換層３６と、中間層１４と同じ半導体材料で形成された厚さ７２０ｎｍの歪緩衝層３２と、１５層の量子ドット層１６が積層された第２の光電変換層３８が順次積層されて形成される。
【００２０】
このように、中間層１６と同じ半導体材料を厚く堆積した歪緩衝層３２を第１及び第２の光電変換層の間に挟むことによって、第１の光電変換層３６内部に発生した歪みを略完全に消失させた後に、第２の光電変換層３８を成長することが可能になる。
【００２１】
従って、第１及び第２の光電変換層を合わせた量子ドット層全体の層数を、例えば３０層と多くすることができる。このため、量子ドット赤外線検知素子３４の量子効率が向上すると期待される。
【００２２】
ところで、図３に示す量子ドット赤外線検知素子３４では、歪緩衝層３２を設けた分だけ光電変換層６が厚くなる。このため光電変換層内部の電界（以下、内部電界と呼ぶ）すなわち量子ドットに印加される電界が小さくなる。このため励起準位２６から中間層１４に放出される電子の数が減り、期待通りには量子効率が増加しない。
【００２３】
量子ドット赤外線検知素子３４に印加する電圧を高くすれば、歪緩衝層３２の導入によって小さくなった内部電界を大きくすることは可能である。しかし、量子ドット赤外線検知素子は２次元アレイ状に配置され、個々の素子がＣＭＯＳ回路によって駆動されるのが通常の使用状態である。ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）回路の発生する電圧は、高々３Ｖ程度である。従って、量子ドット赤外線検知素子３４に印加する電圧を大きくして、量子効率を向上させることには限界がある。
【００２４】
そこで、本発明の目的は、歪緩衝層３２を光電変換層６に設けることによって生じる内部電界の縮小を抑制又は回避して、量子効率の高い量子ドット赤外線検知素子３４を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成するために、開示の量子ドット型赤外線検知素子は、半導体基板と、複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、ｐ型半導体層とｎ型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されている。
【００２６】
開示の量子ドット型赤外線検知素子によれば、歪緩衝層を設けることによって、光電変換層に於いて、積層可能な量子ドット層の層数が増加する。更に、ｐ型半導体層とｎ型半導体層を積層して歪緩衝層を形成するので、歪緩衝層を設けたことによる内部電界の縮小を抑制又は回避することが可能になる。
【００２７】
このため、本発明に係る量子ドット型赤外線検知素子が生成する光電流が大きくなる（すなわち、量子効率が大きくなる。）。
【発明の効果】
【００２８】
開示の量子ドット型赤外線検知素子によれば、量子ドット層によって光電変換層が形成された量子ドット型赤外線検知素子の量子効率が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００３０】
（実施の形態１）
（１）構成および製造方法
図４は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子の構成を説明する要部断面図である。
【００３１】
図４を参照して、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子の構成を製造手順に従って、ステップ毎に説明する。
【００３２】
（ｉ）第１の電極層４の形成
本ステップでは、第１の電極層４となるＧａＡｓ層が形成される。
【００３３】
ｎ型のＧａＡｓ基板２１上に、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層が、分子線エピタキシャル法によって成長させられる。成長温度は、６００℃である。このＧａＡｓ層にドーピングされる不純物はＳｉであり、その濃度は２×１０１８／ｃｍ３である。
【００３４】
なお、特に言及はしないが、以後のステップで説明する半導体層も、本ステップと同様に、分子線エピタキシャル法により成長させられる。
【００３５】
（ｉｉ）第１の光電変換層３６の形成
本ステップでは、複数の量子ドット１２とこの量子ドット１２を覆う中間層１４によって形成される量子ドット層１６が複数積層された半導体積層構造が形成される。この半導体積層構造は、第１の光電変換層となる。
【００３６】
まず、成長温度が６００℃から５００℃に降下させながら、厚さ５０ｎｍのｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層４２（絶縁性のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）が成長させられる。このｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層は、第１層目の中間層となる。
【００３７】
次に、成長温度が５００℃に維持された状態で、２ＭＬ（２原子層）に相当するＩｎＡｓ原料（Ｉｎ分子線及びＡｓ分子線）が供給される。ＩｎＡｓ原料の供給速度は、成長膜が層状に成長すると仮定した場合に、ＩｎＡｓ層が成長速度０．２ＭＬ／ｓ（０．２原子層／秒）で成長するために必要な供給速度である。
【００３８】
ＩｎＡｓは、（ＧａＡｓ基板２１に格子整合する）ｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層４２より格子定数が大きいので、圧縮歪を受けた状態で成長する。成長初期には、ＩｎＡｓは層状に成長し濡れ層（図示せず）と呼ばれる層を形成する。その後、ＩｎＡｓ膜に蓄積される歪エネルギーを緩和するため、ＩｎＡｓが３次元成長を開始し、多数の量子ドット１２´が形成される。すなわち、本実施の形態の量子ドットは、ＳＫモードによって自己組織化形成される。
【００３９】
このようにして形成された量子ドット１２´の上に、厚さ５０ｎｍのｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が積層される。このｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓは中間層１４´となり、量子ドット１２´と共に第１層目の量子ドット層１６´を形成する。
【００４０】
その後、上記手順と同様のステップ（量子ドットと中間層の形成）を繰り返すことにより、合計１５層の量子ドット層１６が形成される。
【００４１】
（ｉｉｉ）歪緩衝層の形成
本ステップでは、ｎ型半導体層４４とｐ型半導体層４６が積層され、歪緩衝層４８となる半導体積層構造が形成される。ここで、ｎ型半導体層４４及びｐ型半導体層４６は、夫々基板２１に格子整合している。
【００４２】
まず、厚さ３６０ｎｍのｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が、第１の光電変換層３６の上に成長させられる。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層にドーピングされる不純物はＳｉであり、その濃度は５．２×１０１５／ｃｍ３である。このｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が、上記ｎ型半導体層４４となる。
【００４３】
次に、厚さ３６０ｎｍのｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が、ｎ型半導体層４４の上に成長させられる。ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層にドーピングされる不純物はＢｅであり、その濃度は５．２×１０１５／ｃｍ３である。このｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が、上記ｐ型半導体層４６となる。
【００４４】
（ｉＶ）第２の光電変換層３８の成長
本ステップでは、複数の量子ドット１２とこの量子ドット１２を覆う中間層１４によって形成される量子ドット層１６が複数積層され、第２の光電変換層３８となる半導体積層構造が形成される。
【００４５】
本ステップに於ける手順は、上記「（ｉｉ）第１の光電変換層３６の形成」で説明した手順と略同じである。但し、成長温度は、最下層の中間層５０から最上層の量子ドット５２が成長させられるまでの間は５００℃であり、最上層の中間層５４を成長する間に５００℃から６００℃に昇温される。
【００４６】
（Ｖ）第２の電極層８の形成
本ステップでは、第２の電極層８となるＧａＡｓ層が形成される。
【００４７】
本ステップに於ける手順は、上記「（ｉ）第１の電極層４の形成」に於ける手順と略同じである。但し、成長するｎ型ＧａＡｓ層の厚さが、１０００ｎｍではなく３６０ｎｍである点で上記「（ｉ）第１の電極層４の形成」に於ける手順と異なる。また、ｎ型ＧａＡｓ層が、ＧａＡｓ基板２１ではなく、第２の光電変換層３８の上に成長させられる点で異なる。
【００４８】
（Ｖｉ）メサの形成
次に、上記「（ｉ）第１の電極層４の形成」〜「（Ｖ）第２の電極層８の形成」によって形成された半導体積層構造を、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて、円柱状のメサに加工する。ここでドライエッチングは、第１の電極層４が露出するまで行われる。
【００４９】
（Ｖｉｉ）第１及び第２の電極５６,５８の形成
次に、第１及び第２の電極層４,８夫々に、ＡｕＧｅ／Ａｕ製の第１及び第２の電極５６,５８が夫々形成される。
【００５０】
（Ｖｉｉｉ）反射金属層１０の形成
次に、第２の電極５８が形成された領域を除く第２の電極層８の表面全体に、Ｔｉ層の上にＡｕが積層された反射金属層１０が形成される。
【００５１】
以上説明したステップ「（ｉ）第１の電極層４の形成」〜「（Ｖｉｉｉ）反射金属層１０の形成」により、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０が形成される。
【００５２】
すなわち、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０は、図４に示すように、半導体基板２１を具備している。
【００５３】
また、量子ドット赤外線検知素子４０は、同一平面上に形成された複数の量子ドット１２と量子ドット１２を覆う中間層１４を有する複数の量子ドット１６層が、半導体基板２１の上に積層された複数の光電変換層（例えば、第１及び第２の光電変換層３６,３８）を具備している。
【００５４】
更に、量子ドット赤外線検知素子４０は、半導体基板２１に整合した、ｐ型半導体層４６とｎ型半導体層４４が積層された歪緩衝層４８を具備している。
【００５５】
そして、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０では、歪緩衝層４８を介して複数の上記光電変換層（例えば、第１及び第２の光電変換層３６,３８）が積層された構造体が形成されている。
【００５６】
更に、本実施の形態の量子ドット赤外線検知素子４０では、夫々に電極５６,５８が形成された第１及び第２の電極層４,８の間に、上記構造体が挟まれている。
【００５７】
尚、図４を参照して説明した例では、歪緩衝層４８を介して積層される光電変換層は２層であるが、積層される光電変換層の層数は３層以上であってもよい。但し、その場合にも、各光電変換層の間に、ｐ型半導体層４６とｎ型半導体層４４が（同じ順で）積層された歪緩衝層４８が設けられることが好ましい。
【００５８】
また、本実施の形態では、量子ドット１２及び中間層１４の双方とも意識的にはドーピングされていない所謂ノンドープ半導体（ｉ型半導体又は絶縁性半導体とも呼ばれる）で形成されている。但し、量子ドット１２及び中間層１４によって形成される量子ドット層１６は、必ずしもノンドープである必要はなく、例えばｎ型であってもよい。但し、全ての量子ドット層１６が、同一導電型であることが好ましい。
【００５９】
（２）動作
（ｉ）内部電界の増強
次に、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０の動作を説明する。
【００６０】
図５は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０に外部回路６０が接続された状態を説明する図である。この外部回路６０は、電圧発生機能と電流検出機能を有し、量子ドット赤外線検知素子４０が発生する光電流を検出する。図５に示された例では、外部回路６０は、直列に接続された定電圧源６１と電流検出器６３によって形成されている。ここで、定電圧源の発生する電圧をＶ０とする。
【００６１】
外部回路６０の正電極６２は、量子ドット赤外線検知素子４０の第２の電極５８に接続される。一方、外部回路６０の負電極６４は、量子ドット赤外線検知素子４０の第１の電極５６に接続される。
【００６２】
すなわち、外部回路６０の正電極６２は、ｐ型半導体層４６の側に配置された第２の電極層８に電気的に接続される。一方、外部回路６０の負電極５６は、ｎ型半導体層４４の側に配置された第１の電極層４に電気的に接続される。
【００６３】
図６は、量子ドット赤外線検知素子４０の内部に於ける、第１の電極層４から第２の電極層８に至る、伝導帯端（伝導帯の底）のエネルギーの位置変化を図示したものである。図６の横方向位置は、量子ドット赤外線検知素子内部の位置に対応している。図６の左端は第１の電極層４に対応し、右端は第２の電極層８に対応する。また、図６の縦方向位置は、電子のエネルギーに対応する。上側に進むほど、高エネルギーになる。
【００６４】
図６に実線で示された線図は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０の伝導帯端エネルギーの位置変化を示している。一方、破線で示された線図は、図３を参照して説明した、歪緩衝層３２に不純物がドーピングされていない量子ドット赤外線検知素子３４の伝導帯端エネルギーの位置変化を示している。尚、両量子ドット赤外線検知素子３４,４０の構造は、歪緩衝層への不純物ドーピングの有無を除いて一致しているものとする。また、図６では、量子ドット１２に於ける伝導帯端エネルギーの変化は省略されている。
【００６５】
図３を参照して説明した量子ドット赤外線検知素子３４では、伝導帯端のエネルギーは、図６の破線に示すように、低電位側の第１の電極４から高電位側の第２の電極８に向かって直線的に減少する。
【００６６】
ところで、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０では、歪緩衝層４８を形成するｎ型及びｐ型の半導体層４４,４６はｐｎ接合を形成し、夫々正及び負の空間電荷を発生する。
【００６７】
このため、正の空間電荷を発生するｎ型半導体層４４の電位は上昇する。従って、ｎ型半導体層４４の伝導帯端エネルギーは下降する。故に、図６の実線が示すように、第１の光電変換層３６の右端（ｎ型半導体層４４に接する位置）に於ける伝導帯端エネルギーも下降する。
【００６８】
一方、負の空間電荷を発生するｐ型半導体層４６の電位は下降する。従って、ｐ型半導体層４６の伝導帯端エネルギーは上昇する。このため、図６の実線が示すように、第２の光電変換層３８の左端（ｐ型半導体層４６に接する位置）に於ける伝導帯端エネルギーは上昇する。
【００６９】
故に、図６に示すように、第１及び第２の光電変換層３６,３８夫々に於ける伝導帯端エネルギーの変化は、歪緩衝層に不純物がドーピングされていない場合に比べ急になる。従って、第１及び第２の光電変換層３６,３８内部に於ける電界強度(ポテンシャルを位置座標で微分した値)が強くなる。
【００７０】
すなわち、本実施の形態に従えば、歪緩衝層を設けたことによる、第１及び第２の光電変換層３６,３８内に於ける電界（以下、内部電界と呼ぶ）の強度減少が抑制又は回避される。
【００７１】
本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０に於いて、赤外線が検出される過程を説明すると以下のようになる。
【００７２】
まず、以上のようにして、内部電界の減少が抑制又は回避された量子ドット赤外線検知素子４０に対して、ｎ型ＧａＡｓ製の基板２１の裏面から、検出対象の赤外線（図示せず）が入射される（図５参照）。裏面から入射した赤外線は、第１及び第２の光電変換層３６,３８に達し、量子ドット１２によって吸収される。量子ドット１２に吸収された赤外線は、基底準位２４にある電子を励起準位２６に励起する（図２参照）。励起された電子は、量子ドット１２に印加された内部電界によって励起準位２６から中間層１４に遷移した後、正電位が印加された第２の電極層８に向かって流されて行く。第２の電極層８に到達した電子の流れは、光電流として外部回路６０に取り出されて検出される。
【００７３】
上述したように、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０では、歪緩衝層を設けたことに起因する内部電界の強度減少が抑制又は回避されている。従って、歪緩衝層に不純物がドーピングされていない量子ドット赤外線検知素子３４（図３参照）で問題となる、励起準位２６からの中間層１４へ遷移する電子の減少現象は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０では緩和又は回避される。
【００７４】
一方、歪緩衝層４８を設けることにより、積層可能な量子ドット層１６の層数は、従来の２０層程度から３０層以上に増加する。従って、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０は、図１を参照して説明した歪緩衝層を有しない量子ドット赤外線検知素子２に比べ、量子効率すなわち光電流が１．５倍（＝３０層/２０層）程度大きくなる。
【００７５】
ところで、図６に示した例では、歪緩衝層４８の内部に於ける伝導帯端エネルギーは殆ど平坦である。従って、第１及び第２の電極層４,８の間に印加される電圧Ｖ０は、殆ど全て第１及び第２の光電変換層３６,３８に印加される。このため図６に示した例では、歪緩衝層を設けたことに起因する内部電界の強度減少は略完全に回避されている。
【００７６】
次に、図６に示した例のように、内部電界の強度減少が略完全に回避される具体的条件について検討する。
【００７７】
まず、ｎ型及びｐ型半導体層４４,４６が共に完全に空乏化し、且つ同じ厚さｄｉ／２を有していると仮定する。また、ｎ型及びｐ型半導体層４４,４６は、同じ不純物濃度Ｎを有しているとする。この時、歪緩衝層４４,４６の両端に現れる拡散電位差Ｖｐｎは次式で表される。
【００７８】
【数１】
2010103202.tif 000003
【００７９】
但し、ｅは電子の電荷を、ε０は真空の誘電率を、εｓは歪緩衝層を形成する半導体の比誘電率を表す。
【００８０】
ところで、第１及び第２の光電変換層３６,３８と歪緩衝層４８によって形成される光電変換層６全体の厚さをｄｔとすると、歪緩衝層４８内部でポテンシャルが略平坦になるための条件は次式で表すことができる。
【００８１】
【数２】
2010103202.tif 000004
【００８２】
式（１）及び（２）より、次式が導かれる。
【００８３】
【数３】
2010103202.tif 000005
【００８４】
すなわち、内部電界の強度減少を略完全に回避するためには、ｎ型及びｐ型半導体層４４,４６の不純物濃度が、式（３）に従って得られる値Ｎであればよい。
【００８５】
上記「（１）構成および製造方法」で説明したｎ型及びｐ型半導体層４４,４６の不純物濃度５．２×１０１５/ｃｍ３は、Ｖ０＝３Ｖ、ｄｉ＝７２０ｎｍ、ｄｔ＝２３２０ｎｍ、及びεｓ＝１３として、式（３）に基づいて定められた値である。
【００８６】
（ｉｉ）入射光の有効利用
上述したように、基板２１の裏面から入射した赤外線（図示せず）の一部は第１及び第２の光電変換層３６,３８を通過し、反射金属層１０によって反射される。このため、入射光と反射光が干渉して、量子ドット赤外線検知素子４０の内部に定在波が形成される。
【００８７】
図７は、量子ドット赤外線検知素４０の内部に形成される定在波の状態を説明する概念図である。図７には、入射波６８と反射波７０が干渉して発生する定在波の包絡線６６（定在波の電界の包絡線）が図示されている。
【００８８】
反射金属層１０は金属製なので、その表面で定在波の強度は零になる。従って、反射金属層１０の素子側表面を節として、赤外線の定在波が形成される。この節の現れる周期は、次式で表される。
【００８９】
【数４】
2010103202.tif 000006
【００９０】
ここで、λｐは検知対象の赤外線の真空中での波長を表し、ｎは量子ドット赤外線検知素子４０を形成する半導体の屈折率を表す。
【００９１】
本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０は、素子表面から１．５２μｍ（＝１０μｍ/（２×３．３）＝λｐ/２ｎ）に位置する地点が、歪緩衝層４８の中央（素子表面から１．５２μｍの位置（＝３６０ｎｍ+５０ｎｍ×１６層+３６０ｎｍ））になるように形成されている（図７参照）。尚、λｐは１０μｍ、ｎは３．３とした。
【００９２】
従って、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０では、定在波強度が弱くなる節が、第１及び第２の光電変換層３６,３８から除外され、定在波強度の強い腹が第１及び第２の光電変換層３６,３８に偏在している。このため、量子ドットの基底準位から励起準位へ（単位時間当たりに）励起される電子の数が増えるので、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０の量子効率は高くなる。
【００９３】
定在波の節が歪緩衝層４８の中央に来るようにするためには、第２の電極層８の厚さを適宜調整すればよい。ここで第２の電極層８は、不純物濃度が２×１０１８/ｃｍ３と高いので、その空乏層幅は高々数１０ｎｍである。このため第２の電極層８を薄くする必要がある場合には、第２の電極層８を数１０ｎｍ程度まで薄くすることが可能である。
【００９４】
図８は、図３を参照して説明した量子ドット赤外線検知素３４の内部に形成される定在波の状態を説明する概念図である。
【００９５】
図３を参照して説明した量子ドット赤外線検知素子３４では、上述したような歪緩衝層３２の位置調整は行われていない。従って、定在波の節が歪緩衝層３２の内部に来るとは限らず、図８のように定在波の節が、第１又は第２の光電変換層３６，３８の内部に来てしまうことがある。このような場合には、量子ドット赤外線検知素子３４の量子効率は低くなってしまう。
【００９６】
上記説明から明らかなように、図４を参照して説明した本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子４０は、検出対象の光の入射面７２（基板２１の裏面）に対向する表面７４（第２の電極層８の表面）に形成された反射金属層１０を有している。
【００９７】
そして、量子ドット赤外線検知素子４０は、上記表面７４からの距離が検出対象の光が有する波長の半分となる位置に、歪緩衝層４８の内部が位置するように形成されている。
【００９８】
但し、上記表面７４からの距離が検出対象の光が有する波長の半分の自然数倍となる位置に、歪緩衝層４８の内部が位置するように形成されていてもよい。この場合にも、第１及び第２の電極層４,８の間に形成される複数の節の少なくても一つが歪緩衝層の内部に形成されるので、量子効率が向上する。
【００９９】
（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１に従う量子ドット赤外線検知素子４０を備えた赤外線検出装置に関する。
【０１００】
実施の形態１に従う量子ドット赤外線検知素子４０の要部は、実施の形態１に於いて量子ドット赤外線検知素子４０の動作を説明するために参照した図５に記載された構成と同じである。
【０１０１】
すなわち、本実施の形態に従う赤外線検出装置７６は、実施の形態１に従う量子ドット赤外線検知素子４０と、外部回路６０（電圧発生源）を有している。
【０１０２】
ここで、外部回路６０（電圧発生源）は、ｐ型半導体層４６に接する光電変換層（第２の光電変換層３８）に正電位を供給し、ｎ型半導体層４４に接する光電変換層（第１の光電変換層３６）に負電位を供給する。
【０１０３】
すなわち、外部電源６０の正電極６２は、第１及び第２の電極層４,８のうちｐ型半導体層４６側に配置された電極層すなわち第２の電極層８に電気的に接続される。また、外部電源６０の負電極６４は、第１及び第２の電極層４,８のうちｎ型半導体層４４側に配置された電極層すなわち第１の電極層４に電気的に接続されている。
【０１０４】
ここで、本実施の形態に従う外部回路６０は、ＣＭＯＳ回路によって形成される。そして、外部回路６０は電流検出機能と電圧発生機能を有し、３Ｖの定電圧を量子ドット赤外線検知素子４０に供給するように形成されている。
【０１０５】
（変形例）
以上説明した例では、歪緩衝層４８の厚さは７２０ｎｍ（＝３６０ｎｍ＋３６０ｎｍ）であるが、歪緩衝層４８の厚さはこの値に限られるものではない。但し、歪緩衝層４８の厚さは、格子歪が概ね消滅する５０ｎｍより厚いことが好ましく、ドライエッチングによるメサ加工に支障が生じない５μｍ以下であることが好ましい。
【０１０６】
また中間層の厚さは、上述した５０ｎｍに限られない。中間層の厚さは、コラムナ量子ドットが形成され量子状態に変化が生じないように３０ｎｍ以上であることが好ましく、且つ内部電界が不必要に減縮しないよう５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１０７】
また、以上の例では、量子ドットはＩｎＡｓで形成されるが、他の半導体材料例えばＩｎＧａＡｓで形成されてもよい。更に、以上の例では、中間層はＡｌＧａＡｓで形成されるが、他の半導体材料例えばＧａＡｓで形成されてもよい。
【０１０８】
また、以上の例では、各半導体層はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法で成長させられるが、有機金属気相成長法等の他の方法で成長させられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】量子ドット赤外線検知素子の一構成例を説明する要部断面図である。
【図２】量子ドットの伝導帯の状態を説明するバンド図である。
【図３】歪緩衝層を備えた量子ドット赤外線検知素子の構成を説明する要部断面図である。
【図４】実施の形態１に従う量子ドット赤外線検知素子の構成を説明する要部断面図である。
【図５】量子ドット赤外線検知素子に、光電流を検出するための外部回路が接続された状態を説明する図である。
【図６】実施の形態１に従う量子ドット赤外線検知素子に於ける、第１の電極層から第２の電極層に至る伝導帯端のエネルギー変化を説明する図である。
【図７】実施の形態１に従う量子ドット赤外線検知素子の内部に形成される、赤外線の定在波の状態を説明する概念図である。
【図８】図３に記載された量子ドット赤外線検知素子の内部に形成される、赤外線の定在波の状態を説明する概念図である。
【符号の説明】
【０１１０】
２・・・量子ドット赤外線検知素子      ４・・・第１の電極層
６・・・光電変換層      ８・・・第２の電極層
１０・・・反射金属層      １２,１２´・・・量子ドット
１４,１４´・・・中間層      １６・・・量子ドット層
２０,２０´・・・赤外線
２１・・・基板      ２２・・・電子
２４・・・基底準位      ２６・・・励起準位
２８・・・電界      ３０・・・伝導帯端
３２・・・歪緩衝層      ３４・・・量子ドット赤外線検知素子
３６・・・第１の光電変換層      ３８・・・第２の光電変換層
４０・・・量子ドット赤外線検知素子（実施の形態１）
４２・・・ｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層      ４４・・・ｎ型半導体層
４６・・・ｐ型半導体層      ４８・・・歪緩衝層（実施の形態１）
５０・・・最下層の中間層      ５２・・・最上層の量子ドット
５４・・・最上層の中間層      ５６・・第１の電極
５８・・・第２の電極      ６０・・・外部回路
６１・・・定電圧源      ６２・・・正電極      
６３・・・電流検出器      ６４・・・負電極
６６・・・定在波の包絡線      ６８・・・入射波
７０・・・反射波      ７２・・・入射面
７４・・・（量子ドット赤外線検知素子の）表面
７６・・・赤外線検出装置
【図１】
2010103202.tif 000007
【図２】
2010103202.tif 000008
【図３】
2010103202.tif 000009
【図４】
2010103202.tif 000010
【図５】
2010103202.tif 000011
【図６】
2010103202.tif 000012
【図７】
2010103202.tif 000013
【図８】
2010103202.tif 000014