(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料からなる第１の量子ドットと、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる障壁部と、 前記第１の量子ドットの前記第１の材料と前記障壁部の前記第２の材料とがミキシングした第１のミキシング層と、前記第１の材料からなる第２の量子ドットと、前記第２の量子ドットの前記第１の材料と前記障壁部の前記第２の材料とがミキシングした第２のミキシング層とをそれぞれ同一基板上に形成し、
前記障壁部は、前記第１のミキシング層を介して前記第１の量子ドットを覆い、前記第２のミキシング層を介して前記第２の量子ドットを覆い、
前記第１のミキシング層の大きさと前記第２のミキシング層の大きさとが異なり、前記第１の量子ドットの大きさと前記第２の量子ドットの大きさとが異なる受光素子。 
【請求項２】
請求項１に記載の受光素子と、前記受光素子に光を照射する波長分波器とを有する検出器。 
【請求項３】
第１の材料からなる第１の量子ドットと、前記第１の量子ドットを覆い、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる障壁部とを加熱して、前記第１の量子ドットの前記第１の材料の一部と前記障壁部の前記第２の材料の一部とをミキシングさせ、
前記第１の材料からなる第２の量子ドットと前記第２の量子ドットを覆う前記障壁部とを、前記第１の量子ドットと前記障壁部とを加熱する条件とは異なる条件で加熱して、前記第２の量子ドットの前記第１の材料と前記障壁部の前記第２の材料とをミキシングさせ、
大きさが異なる前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを同一の基板から成長させて形成する受光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１の量子ドットと前記障壁部とを有する光吸収層を複数形成して、複数の前記光吸収層を積層させる請求項３に記載の受光素子の製造方法。
【請求項５】
加熱されているときの前記第１の量子ドットが６００℃から７５０℃の間となるように、前記第１量子ドットを加熱する請求項３または４のいずれかに記載の受光素子の製造方法。 
【請求項６】
前記第１の量子ドットにレーザを照射することにより前記第１の量子ドットを加熱し、前記レーザの照射パワー及び前記レーザを照射する時間の少なくとも一方を制御して、加熱されているときの前記第１の量子ドットの温度を制御する請求項３から５のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子及び検出器並びに受光素子の製造方法に関し、特に、量子ドットを有する受光素子及び検出器並びに受光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光検出技術の需要が高まっている。光検出技術は環境観測にも応用されていて、例えば、赤外光を検出する技術が環境観測に応用されている。
【０００３】
赤外光を検出する検出器には、水銀・カドミウム・テルル（Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｃａｄｍｉｕｍ Ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ；ＭＣＴ）系材料を用いたもの、量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ ；ＱＷ）のサブバンド間遷移を利用したもの、量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ；ＱＤ）のサブバンド間遷移を利用したものなどがある。
【０００４】
水銀・カドミウム・テルル系材料を用いた検出器は、赤外光を吸収し、電子帯の電子が伝導体に励起されることにより生じる電流、またはその電流を電圧に変換したものを検出する。この検出器は、半導体のバンドギャップより大きいエネルギーを持つ光を吸収するため、原理的には広帯域を検出することが可能である。
【０００５】
しかしながら、水銀・カドミウム・テルル系材料を用いた検出器には、検出器が高価になるという問題がある。これは、水銀・カドミウム・テルル系材料を結晶成長させるプロセスが難しいためである。
【０００６】
この問題を解決する手段として、量子井戸や量子ドットなどの量子構造の、電子または正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものがある。その原理について、図１０を用いて説明する。
【０００７】
量子井戸や量子ドットなどの量子閉じ込め構造では量子閉じ込め効果により、電子または電子エネルギーは離散的になる。図１０は、障壁層１２１、１２３に囲まれた量子閉じ込め構造１２２における電子１２６に対するバンド構造を示している。量子閉じ込め構造１２２では、離散準位間のエネルギーが検出されるべき光のエネルギーと一致した場合に、光吸収によって電子１２６が基底準位１２４から励起準位１２５に励起される。そこで、検出器はこの電子に起因する電流を検出する。
【０００８】
量子閉じ込め構造を用いた検出器の場合、バルク材料である水銀・カドミウム・テルル系材料を用いた検出器よりも熱雑音が低くなる。このため、量子閉じ込め構造を用いた検出器の方が、感度が高くなることが予想される。これは、キャリアの運動方向の自由度が、バルク材料では３次元であるのに対して、量子井戸では２次元、量子ドットでは０次元であり、次元が低い方が電子の運動の自由度が低くなるためである。電子の運動の自由度が低いと電子の熱的励起確率が低くなる。
【０００９】
しかしながら、量子井戸を用いた検出器の場合、光検出面に垂直入射する光のサブバンド間遷移波長の光吸収効率が非常に低いという問題がある。そこで、この問題を解決するために、検出器の構成に回折格子を加えて、偏光を吸収効率の高い方向に変換する方法が考えられる。ただし、この方法には検出器の構成が複雑になるという問題がある。
【００１０】
一方、量子ドットを用いた検出器の場合には、前述した垂直入射に対する低い光吸収効率の問題はない。このため、量子井戸よりも量子ドットを検出器に用いるのが望ましい。
【００１１】
しかしながら、量子井戸又は量子ドットを用いた検出器に共通する問題点として、検出波長帯域が広くないことが挙げられる。これは、量子井戸と量子ドットとが離散エネルギー準位間の遷移を利用するためである。典型的には、検出中心波長１０μｍに対して、検出波長帯域は１μｍ程度である。この検出波長帯域の値は量子ドットの不均一広がりによって決まる。
【００１２】
なお、量子ドットの不均一広がりを意図的に大きくし、検出器の検出波長帯域を大きくすることは可能であるが、これは望ましくない。なぜなら、光を吸収する量子ドットの総数が一定の条件下では、感度と検出波長帯域はトレードオフの関係にあり、検出波長帯域を大きくすると感度が低くなるためである。
【００１３】
特許文献１には、異なる厚さを有する量子井戸層を複数備えた分光器が開示されている。各々の量子井戸層が検出できる波長は離散順位により決定され、離散順位は量子井戸層の厚さに基づいて決定される。すなわち、量子井戸層の厚さに基づいて、検出できる波長が決定される。特許文献１の分光器は異なる厚さの量子井戸層を複数備えることで、複数の波長を検出することを可能とし、分光器として検出できる波長帯域を大きくしている。
【００１４】
また、特許文献２には、種々の大きさの量子ドットをアレイ状に配置した半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平２００９−２１０４７４（図１、段落「００１５」）
【特許文献２】特開平１０−３０８５２６（図２、段落「００１８」）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１、特許文献２のいずれにも開示された量子井戸又は量子ドットを用いた検出器には、検出感度が低いという問題があった。これは、量子井戸又は量子ドットの厚さや大きさを変えるためにエッチング加工を用いるためである。エッチング加工により量子ドットの界面へダメージが加えられる。このため、量子ドットが光を吸収する効率が低下する。その結果、検出器の検出感度が低くなる。
【００１７】
本発明は、検出できる波長を制御された量子ドットの検出感度が低いという課題を解決する受光素子及び検出器並びに受光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の受光素子は、第１の材料からなる第１の量子ドットと、第１の材料とは異なる第２の材料からなる障壁部と、第１の量子ドットの第１の材料と障壁部の第２の材料とがミキシングした第１のミキシング層とを有し、障壁部は、第１のミキシング層を介して第１の量子ドットを覆っている。
【００１９】
本発明の検出器は、本発明の受光素子と、受光素子に光を照射する波長分波器とを有する。
【００２０】
本発明の受光素子の製造方法は、第１の材料からなる第１の量子ドットと、第１の量子ドットを覆い、第１の材料とは異なる第２の材料からなる障壁部とを加熱して、第１の量子ドットの第１の材料と障壁部の第２の材料とをミキシングさせる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の受光素子及び検出器並びに受光素子の製造方法によれば、検出感度の低下を招くことなく検出波長を制御された受光素子及び検出器並びに受光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態の受光素子の製造方法及び受光素子を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の受光素子の製造方法及び受光素子を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の受光素子の感度スペクトルを示す図である。
【図４】量子ドット及び障壁部を加熱する温度と、量子閉じ込め効果、サブバンド間遷移波長、サブバンド間遷移波長との関係を示す図である。
【図５】サブバンド間遷移及びバンド間遷移を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の検出器を示す図である。
【図７】本発明の実施例の検出器を示す図である。
【図８】本発明の実施例の受光素子の断面図を示す図である。
【図９】本発明の実施例の結果を示す図である。
【図１０】障壁層に囲まれた量子閉じ込め構造における電子に対するバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
〔第１の実施形態〕
図１（Ａ）〜（Ｄ）に本発明の第１の実施形態の受光素子１００の製造方法を示す。
【００２５】
初めに、図１（Ａ）に示すように、基板１０１を用意する。ここで、基板１０１は、基板１０１上に量子ドットを形成できるような状態であることとし、例えば、基板１０１は量子ドットが形成できるよう適切な成膜がなされていることとする。
【００２６】
次に、図１（Ｂ）に示すように、基板１０１上に量子ドット１０３を形成する。量子ドットは例えば、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）等の結晶成長法を用いて形成される。
【００２７】
次に、図１（Ｃ）に示すように、基板１０１及び量子ドット１０３の上に、量子ドット１０３を覆うように障壁層１０２を形成する。なお、量子ドット１０３を取り囲む基板１０１と障壁層１０２とを本明細書では障壁部とも呼ぶ。
【００２８】
ここで、量子ドット１０３は第１の材料から、基板１０１及び障壁層１０２は第２の材料からなる。第１および第２の材料の組合せとして、ＩｎＡｓとＧａＡｓ、ＩｎＡｓとＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓ、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓとＩｎＰ、などを用いることができる。
【００２９】
第１の材料としてＩｎ含有物、第２の材料としてＡｌ含有物を用いる場合、第２の材料のＡｌ組成比は０．４以下であるのが望ましい。これは、Ａｌ組成が大きい場合、Ｉｎとのミキシングにより結晶特性が劣化する恐れがあるためである。
【００３０】
バンドギャップエネルギーは第１および第２の材料によって異なるため、これら材料の組合せによって量子ドット中の量子閉じ込めエネルギーが変わる。量子閉じ込めエネルギーが変われば、量子ドット中の離散エネルギーが変わる。その結果、光の吸収によって検出される光のエネルギーまたは波長が変わる。従って、所望の検出波長を得るには、適切な材料を組合せる必要がある。
【００３１】
基板１０１として、例えばＧａＡｓを用いても良い。基板１０１として、ＩｎＰを用いても良く、この場合には障壁層１０２としてＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｌＡｓなどを用いるのが望ましい。
【００３２】
次に、量子ドット１０３、基板１０１及び障壁層１０２を加熱して、量子ドット１０３の第１の材料と、基板１０１及び障壁層１０２の第２の材料とをミキシングさせる。その結果、図１（Ｄ）に示すように、ミキシング層１０４が形成される。なお、加熱温度が高ければ高いほど、これらがミキシングされる度合いが大きくなり、ミキシング層１０４は大きくなる。
【００３３】
以上の工程により、本実施形態の受光素子１００を製造することができる。
【００３４】
受光素子１００は、ミキシング層１０４を有する。ミキシング層１０４は、量子ドット１０３の第１の材料と障壁部の第２の材料とがミキシングして作られたものであり、第１の材料と第２の材料との中間の組成を有する。例えば、第１の材料がＩｎＡｓ、第２の材料がＧａＡｓの場合、ミキシング層１０４はＩｎＧａＡｓとなる。ミキシング層１０４は、組成が第１の材料の組成から第２の材料の組成に、又はその逆に変化していく遷移層である。このため、ミキシング層１０４が大きくなればなるほど、量子ドット１０３の大きさは小さくなる。ここで、量子ドットの大きさはミキシング層を除いた部分の大きさとして定めている。
【００３５】
また、ミキシング層１０４が大きくなり、量子ドット１０３が小さくなればなるほど、量子閉じ込め効果は小さくなる。そして、量子閉じ込め効果が小さくなると、電子および正孔のエネルギー準位はミキシング層が無い場合から変化する。これにより、光検出に用いるサブバンド間遷移エネルギーも変化する。受光素子１００が検出できる波長はサブバンド間遷移エネルギーに基づいて決まるため、ミキシング層１０４の大きさを制御することで、受光素子１００が検出できる波長を制御することが可能となる。
【００３６】
本実施形態の受光素子の製造方法によれば、特許文献１や特許文献２に開示された技術と比べて、検出感度の低下を招くことなく検出波長を制御することができる。これは、本実施形態の受光素子１００の製造方法では、量子ドットをエッチングせずとも量子ドットの大きさを制御することができるためである。
【００３７】
また、量子ドットをエッチングせずとも量子ドットの大きさを制御することができるため、本製造方法を用いた場合、エッチングを用いた場合と比べて、量子ドットの大きさのばらつきを減らすことができる。
【００３８】
量子ドット１０３は複数個形成されても良い。その場合、第１の材料からなる第２の量子ドットと第２の量子ドットを覆う障壁部とを、第１の量子ドットと障壁部とを加熱する条件とは異なる条件で加熱して、第２の量子ドットのミキシングの度合いを第１の量子ドットのミキシングの度合いと変えるのが望ましい。これにより、各々の量子ドットの大きさを変えることができ、各々の量子ドットの検出波長を変えることができる。その結果、個々の量子ドットの検出波長帯域が狭かったとしても、異なる大きさの量子ドット１０３を複数形成することにより、受光素子１００全体として検出波長帯域が広い受光素子１００を製造することが可能となる。
【００３９】
図１（Ｄ）に示すように受光素子１００は、量子ドット１０３と障壁部である基板１０１及び障壁層１０２とを有する。量子ドット１０３は第１の材料からなる。障壁部は、第１の材料とは異なる第２の材料からなる。受光素子１００は、量子ドット１０３の第１の材料と障壁部の第２の材料とがミキシングしたミキシング層１０４を有する。障壁部は、ミキシング層１０４を介して量子ドット１０３を覆っている。
【００４０】
受光素子１００の量子ドット１０３では検出可能な波長が制御されているが、上述した理由により、高い検出感度を実現することができる。
【００４１】
〔第２の実施形態〕
次に本発明の第２の実施形態の受光素子の製造方法について説明する。第２の実施形態の受光素子の製造方法は、複数の量子ドットを形成することを特徴とする。
【００４２】
図２（Ａ）〜（Ｄ）に本発明の第１の実施形態の受光素子２００の製造方法を示す。
【００４３】
初めに、図２（Ａ）に示すように、基板２０１を用意する。ここで、基板２０１は、基板２０１上に量子ドットを形成できるような状態であることとし、例えば、基板２０１は量子ドットが形成できるよう適切な成膜がなされていることとする。
【００４４】
次に、図２（Ｂ）に示すように、基板２０１上に量子ドットを複数個形成する。本実施形態では、例として、量子ドット２０３ａ〜２０３ｅを形成する。
【００４５】
次に、図２（Ｃ）に示すように、基板２０１及び量子ドット２０３ａ〜２０３ｅの上に、量子ドット２０３ａ〜２０３ｅを覆うように障壁層２０２を形成する。なお、量子ドット２０３ａ〜２０３ｅを取り囲む基板２０１と障壁層２０２とを本明細書では障壁部と呼ぶ。
【００４６】
次に、量子ドット２０３ａ〜２０３ｅ、基板２０１と障壁層２０２を加熱して、量子ドット２０３ａ〜２０３eの第１の材料と、基板２０１と障壁層２０２の第２の材料とをミキシングさせる。このとき、加熱温度を各々の量子ドット毎に変える。本実施形態では、例として、量子ドット２０３ａを加熱しない。また、量子ドット２０３ｂ〜２０３ｅについては、量子ドット２０３ｂ、量子ドッド２０３ｃ、量子ドット２０３ｄ、量子ドット２０３ｅの順に加熱する温度が高くなる。
【００４７】
量子ドット２０３ａ〜２０３ｅを加熱する方法は限定されない。例えば、量子ドット毎に基板２０１を分割して、それぞれの基板毎に加熱しても良い。または、１枚の基板２０１上で、各々の量子ドットを加熱する温度を変化させても良い。これは、アニールチャンバー内で基板２０１と密着している基板ホルダに温度分布を持たせることによって実現可能である。
【００４８】
また、基板２０１を加熱する温度の制御方法として、高出力レーザ照射を用いた方法が考えられる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を量子ドットの大きさ程度に絞って、集光レンズを介して基板２０１に照射する。レーザの照射パワー及びレーザを照射する時間の少なくとも一方を制御することにより、量子ドットの温度上昇を制御し、結果として、加熱する温度に実効的に分布を持たせることができる。
【００４９】
量子ドット２０３ａ〜２０３ｅを上述のとおり加熱した結果、図２（Ｄ）に示すように、ミキシング層２０４ｂ〜２０４ｅが形成される。加熱する温度が高ければ高いほど、第１の材料と第２の材料とがミキシングされる度合いが大きくなるため、図２（Ｄ）に示すとおり、ミキシング層２０４ｂ〜２０４ｅの中でミキシング層２０４ｅが最も大きくなる。一方、量子ドットの大きさは、量子ドット２０３ａが最も大きくなり、量子ドット２０３ｅが最も小さくなる。
【００５０】
以上の工程により、本実施形態の受光素子２００を製造することができる。
【００５１】
本実施形態の受光素子２００の製造方法では複数個の量子ドット２０３ａ〜２０３ｅが形成される。そして、第１の材料からなる第２の量子ドットと第２の量子ドットを覆う障壁部とを、第１の量子ドットと障壁部とを加熱する条件とは異なる条件で加熱して、第２の量子ドットの第１の材料と障壁部の第２の材料とをミキシングさせる。これにより、各々の量子ドットの大きさを変えることができ、各々の量子ドットの検出波長を変えることができる。
【００５２】
量子ドット２０３ａ〜２０３ｅの検出波長について、図３を用いて説明する。量子ドット２０３ａが検出できる波長の中心波長はλａである。量子ドット２０３ｂが検出できる波長の中心波長は２０３ａよりも少し短いλｂである。量子ドット２０３ｅが検出できる波長の中心波長は、λｂよりも短いλｅである。このように、量子ドット２０３ａ〜２０３ｅの検出波長は、λａからλｅまで、緩やかに変化している。従って、個々の量子ドットの検出波長帯域が狭かったとしても、異なる大きさの量子ドット２０３ａ〜２０３ｅを複数形成することにより、受光素子２００全体として検出波長帯域が広くなる。
【００５３】
量子ドットを加熱する温度と量子閉じ込め効果、バンド間遷移波長、サブバンド間遷移波長との関係について図４及び図５を用いて説明する。なお、本明細書では、荷電子帯から伝導帯へ電子が励起されることをバンド間遷移と呼ぶ。図５の場合、バンド間遷移とは電子の準位が準位１から準位２へ移動することを言う。そして、これら準位のエネルギー差に相当する光の波長をバンド間遷移波長と呼ぶ。一方、伝導帯のサブバンド間で電子が励起されることをサブバンド間遷移と呼ぶ。図５の場合、サブバンド間遷移とは電子の準位が準位２から準位３へ移動することを言う。そして、これら準位のエネルギー差に相当する光の波長をサブバンド間遷移波長と呼ぶ。
【００５４】
図４に示すとおり、量子ドットを加熱する温度が高ければ高いほど、量子ドットの第１の材料と障壁部の第２の材料とがミキシングする度合いが大きくなる。これは、図２に示したとおりである。そして、ミキシングされた度合いが大きくなればなるほど、量子ドットの大きさは小さくなり、量子閉じ込め効果が弱くなる。その結果、量子ドットにおける電子準位は全体的に上がり、正孔準位は全体的に下がる。従って、図５における準位１と準位２のエネルギー差は大きくなり、このエネルギー差の逆数に比例するバンド間遷移波長は短くなる。
【００５５】
一方、サブバンド間のエネルギー差に注目すると、量子閉じ込め効果が小さくなると、このエネルギー差、すなわち準位２と準位３の差が広がる。その結果、このエネルギー差の逆数に比例するサブバンド間遷移波長が短くなる。
【００５６】
量子ドット２０３ａ〜２０３ｅは、同一の基板から結晶成長法により一括に成長しても良い。これにより、製造工程が簡易になる。
【００５７】
受光素子２００は、波長分波し、分波した光を各々の量子ドットに入射させる波長分波器に接続されても良い。波長分波器は透過型でも良いし、回折格子などの反射型でも良い。
【００５８】
受光素子２００が可動反射鏡２１２に接続されて検出器を構成する例を図６に示す。可動反射鏡２１２は、金などをはじめとする金属薄膜コーティングによって反射率９０％以上が実現されているのが望ましい。これにより、検出器としての検出感度が向上する。すなわち、検出器の感度を示す指標であるＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ）比のＳを大きくすることができる。
【００５９】
ただし、可動反射鏡を用いた検出器には、動作速度が遅くなるというデメリットがある。
これは、波長分波器を用いた検出器の場合ではスペクトルを一括で取得することができるのに対し、可動反射鏡を用いた検出器の場合では可動反射鏡を回転させ、入射光２１４が照射される受光素子２００の量子ドット２０３ａ〜２０３ｅをスキャンする必要があるためである。よって、信号光が弱く、観測したい波長が少ない場合に後者を用いるのが有効である。
【００６０】
受光素子２００は、例えば、中赤外光および遠赤外光の短波長側（３〜２０μｍ程度）でのスペクトル解析を要する気象などの環境計測に用いられても良い。
【００６１】
〔実施例１〕
次に、本発明の実施例について説明する。
【００６２】
図７に、本実施例の検出器３１０を示す。検出器３１０は赤外光を検出できるものである。検出器３１０は受光素子３００と入射光３１４を波長分波する波長分波器３１２を有する。受光素子３００は基板部３１１と、基板部３１１上に配列された複数の量子ドット部３１３を有する。複数の量子ドット部３１３には、量子ドット部Ｄ１〜ＤＮが含まれる。検出器３１０に入力された入射光３１４は波長分波され、分波された赤外光の各々が量子ドット部Ｄｉ（ｉ＝１〜Ｎ）に入射する。ここで、入射光３１４は赤外光である。
【００６３】
量子ドット部Ｄｉにはλｉの光が照射されるように、波長分波器３１２と複数の量子ドット部３１３は適切に設計されている。この構成により、個々の量子ドット部Ｄｉの検出波長帯域が狭くても、複数の量子ドット部３１３全体として高感度に赤外光を検出することが可能となる。
【００６４】
図８に、受光素子３００の断面構造を示す。受光素子３００は基板３１５を備える。基板３１５は半絶縁性である。基板３１５上には、基板３１５と同じ材料からなるｉ型の緩衝層３１６、ｎ型の下部コンタクト層３１７、ｉ型の障壁層３１９が配置されている。さらに、その上に量子ドット３０３とｉ型の障壁層３０２とが交互に配置されている。量子ドット３０３と障壁層３０２とを含めたものが光吸収層３２０となる。受光素子３００は、光吸収層３２０を１０層有する。上部には、ｎ型の上部コンタクト層３２１が配置されている。下部コンタクト層３１７上には下部電極３１８が配置されている。上部コンタクト層３１８上には、上部電極３２２が配置されている。受光素子３００は、上部電極３２２と下部電極３１８の間を流れる電流を検出する。
【００６５】
量子ドット部Ｄｉが有するミキシング層３０４は、Ｄ１からＤＮになるに連れて大きくなる。一方、各々の量子ドット２０３はＤ１からＤＮになるに連れて小さくなる。すなわち、量子ドット部Ｄｉの量子閉じ込め効果は、Ｄ１からＤＮになるにつれて小さくなる。従って、量子ドット部Ｄｉのサブバンド間遷移波長はＤ１からＤＮになるにつれて短くなり、検出波長も小さくなる。
【００６６】
本検出器３１０では、量子ドット部Ｄ１からＤＮの各電極間に流れる電流値、またはそれを電圧に変換した値を計測することにより、光検知が可能となる。
【００６７】
次に、受光素子３００の製造方法について説明する。
【００６８】
まず、基板３１５として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意した。
【００６９】
次に、この基板３１５をＭＢＥの装置内へ導入した。そして、固体Ａｓを加熱し昇華させることにより得られるＡｓ４分子線を基板３１５に照射した。そして、基板３１５の温度が６００℃になるまでＡｓ４分子線を照射し続け、基板３１５表面の自然酸化膜を除去した。その後、基板３１５の温度が５８０℃程度になったときに、基板３１５上に、ＧａＡｓのｉ型の緩衝層３１６を１００ｎｍ程度堆積させた。
【００７０】
続いて、厚さが２００ｎｍ程度で、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度のＧａＡｓで構成されるｎ型の下部コンタクト層３１７と、厚さが５０ｎｍでＧａＡｓのｉ型の障壁層３１９を順次積層した。
【００７１】
その後、基板３１５の温度を４９０℃程度まで低下させた。そして、名目上の厚さが２．５原子層程度相当分のＩｎＡｓをＭＢＥの装置内に供給した。
【００７２】
この時、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状に３次元的に成長し、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ)モードと呼ばれる量子ドット３０３が形成された。ここで形成された典型的な量子ドット３０３の大きさは、直径が約３０ｎｍ〜５０ｎｍ、高さが約２〜８ｎｍであった。また、１ｃｍ２当たりの量子ドット３０３の面密度は１０１０〜１０１１程度であった。
【００７３】
続いて、ＩｎＡｓの供給を停止してＧａＡｓをＭＢＥの装置内に供給することによって、厚さが５０ｎｍ程度のＧａＡｓのｉ型の障壁層３０２を成長させた。その結果、量子ドット３０３は障壁層３０２に完全に覆われた状態になった。量子ドット３０３と障壁層３０２とを合わせて、本明細書では光吸収層３２０と呼ぶ。
【００７４】
続いて、光吸収層３２０をさらに９層積層した。具体的には、量子ドット３０３及び障壁層３０２を上述のとおり交互に９回ずつ形成した。
【００７５】
続いて、厚さが１００ｎｍ程度で、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度のＧａＡｓで構成されるｎ型の上部コンタクト層３２１を堆積層させる。
【００７６】
次に、量子ドット３０３と障壁層３０２、３１９とを加熱して、各々の量子ドット部Dｉが検出できる波長を変えた。この方法の詳細については、実施例２にて説明する。
【００７７】
次に、光吸収層３２０を分断して、複数の量子ドット部３１３を作った。具体的な工程としては、リソグラフィーとドライエッチングを用いて上部コンタクト層３２１から障壁層３１９の一部を選択的にエッチングして、下部コンタクト層３１７の表面の一部を露出させた。この工程により分離された量子ドットを含む構造を、量子ドット部Ｄ１〜ＤＮとした。量子ドット部Ｄ１〜ＤＮを平面として捉えたときの各々の量子ドット部の大きさ、例えば、図２（Ｄ）の上方向から下方向に向かって受光素子２００を見たときの量子ドット２０３ａの横方向の長さは典型的には４０μｍ程度から２００μｍであったが、これに限定されるものではない。
【００７８】
次いで、金属蒸着法を用いて下部コンタクト層３１７と上部コンタクト層３２２の各々にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる電極３１８，３２２を形成した。ここで上部電極３２２は、量子ドット部Ｄ１〜ＤＮの各々に形成される。なお、光が図８の上方向から入射する場合、光が量子ドット３０３に吸収されるように、上部電極３２２を上部コンタクト層３２１上の一部にのみ形成するのが望ましい。光が図８の下方向から入射する場合は、上部電極３２２により上部コンタクト層が完全に覆われても構わない。
【００７９】
〔実施例２〕
本実施例では、量子ドット３０１と障壁層３０２、３１９とを加熱して、量子ドット部の
検出波長を制御する方法を示す。
【００８０】
受光素子３００を量子ドット部Dｉ毎に分割した。その後、各々の量子ドット部Ｄｉに対して熱アニールを行った。熱アニールの温度は量子ドット部Ｄｉ毎に変えられ、その範囲を６００℃〜７５０℃とした。熱アニールは、窒素１気圧の雰囲気中で１０秒程度行われた。なお、ここでいう１０秒とは、各々の量子ドット部Ｄｉが所望の温度に保たれている時間である。従って、温度上昇又は下降には、この１０秒とは別に数分の時間を要した。
【００８１】
次に、種々の温度で熱アニールされた量子ドット部Ｄｉを１０Ｋ程度の低温まで冷却することが可能なクライオスタット内に挿入し、Ｈｅ−Ｎｅレーザを照射してフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ；ＰＬ）測定を行った。その結果を図９に示す。
【００８２】
バンド間遷移エネルギーから量子ドットの形状を推測し、この推測結果に基づいて量子ドットの検出波長を計算したところ、６００℃〜７５０℃の温度範囲で加熱した量子ドット部の検出波長は１０μｍから１５μｍの範囲で変化していた。
【００８３】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【００８４】
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。
【００８５】
（付記１）第１の材料からなる第１の量子ドットと、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる障壁部と、前記第１の量子ドットの前記第１の材料と前記障壁部の前記第２の材料とがミキシングした第１のミキシング層とを有し、前記障壁部は、前記第１のミキシング層を介して前記第１の量子ドットを覆っている受光素子。
【００８６】
（付記２）前記第１の材料からなる第２の量子ドットと、前記第２の量子ドットの前記第１の材料と前記障壁部の前記第２の材料とがミキシングした第２のミキシング層とを有し、前記障壁部は、前記第２のミキシング層を介して前記第２の量子ドットを覆い、前記第１のミキシング層の大きさと、前記第２のミキシング層の大きさとが異なる付記１に記載の受光素子。
【００８７】
（付記３）前記第１の量子ドットの大きさと、前記第２の量子ドットの大きさとが異なる付記２に記載の受光素子。
【００８８】
（付記４）前記第１のミキシング層及び前記第２のミキシング層は、前記第１の材料と前記第２の材料の中間の組成を有し、前記中間の組成は、第１の材料の組成から第２の組成又はその逆に変化した遷移層である付記２又は３に記載の受光素子。
【００８９】
（付記５）前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとは、同一の基板から成長することにより形成されている付記２から４のいずれかに記載の受光素子。
【００９０】
（付記６）前記第１の材料がＩｎＡｓであり、前記第２の材料がＧａＡｓである付記１から５のいずれかに記載の受光素子。
【００９１】
（付記７）障壁部に接するコンタクト層と、前記コンタクト層上に配置された第１の電極と第２の電極とを有する付記１から６のいずれかに記載の受光素子。
【００９２】
（付記８）前記第１の量子ドットと前記障壁部とを有する光吸収層を複数有し、複数の前記光吸収層が積層されている付記１から７のいずれかに記載の受光素子。
【００９３】
（付記９）付記１から８のいずれかに記載の受光素子と、前記受光素子に光を照射する波長分波器とを有する検出器。
【００９４】
（付記１０）付記１から９のいずれかに記載の受光素子と、前記受光素子に光を照射する反射鏡とを有する検出器。
【００９５】
（付記１１）前記検出器が赤外光検出器である付記９又は１０に記載の検出器。
【００９６】
（付記１２）第１の材料からなる第１の量子ドットと、前記第１の量子ドットを覆い、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる障壁部とを加熱して、前記第１の量子ドットの前記第１の材料の一部と前記障壁部の前記第２の材料の一部とをミキシングさせる、受光素子の製造方法。
【００９７】
（付記１３）前記第１の材料からなる第２の量子ドットと前記第２の量子ドットを覆う前記障壁部とを、前記第１の量子ドットと前記障壁部とを加熱する条件とは異なる条件で加熱して、前記第２の量子ドットの前記第１の材料と前記障壁部の前記第２の材料とをミキシングさせる、付記１２に記載の受光素子の製造方法。
【００９８】
（付記１４）前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを同一の基板から成長させて形成する付記１３に記載の受光素子の製造方法。
【００９９】
（付記１５）前記第１の材料がＩｎＡｓであり、前記第２の材料がＧａＡｓである付記１２から１４のいずれかに記載の受光素の製造方法。
【０１００】
（付記１６）コンタクト層を前記障壁部に接するように形成し、前記コンタクト層上に第１の電極と第２の電極とを形成する付記１２から１５のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
【０１０１】
（付記１７）前記第１の量子ドットと前記障壁部とを有する光吸収層を複数形成して、複数の前記光吸収層を積層させる付記１２から１６のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
【０１０２】
（付記１８）加熱されているときの前記第１の量子ドットが６００℃から７５０℃の間となるように、前記第１量子ドットを加熱する付記１２から１７のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
【０１０３】
（付記１９）前記第１の量子ドットにレーザを照射することにより前記第１の量子ドットを加熱し、前記レーザの照射パワー及び前記レーザを照射する時間の少なくとも一方を制御して、加熱されているときの前記第１の量子ドットの温度を制御する付記１２から１８のいずれかに記載の受光素子の製造方法。
【符号の説明】
【０１０４】
１００、２００、３００    受光素子
１０１、２０１    基板
１０２、２０２、３０２    障壁層
１０３、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３ｅ、３０３    量子ドット
１０４、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅ、３０４    ミキシング層
１２１    障壁層
１２２    量子閉じ込め構造
１２３    障壁層
１２４    基底準位
１２５    励起準位
１２６    電子
２１４、３１４    入射光
２１２    可動反射鏡
３１１    基板部
３１２    波長分波器
３１３    複数の量子ドット部
３１５    基板
３１６    緩衝層
３１７    下部コンタクト層
３１８、３２２    電極
３１９    障壁層
３２０    光吸収層
３２１    上部コンタクト層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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