(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層を挟むコンタクト層と、
前記コンタクト層に設けられた電極と、
前記活性層の少なくとも一の側面に設けられた第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜を介して前記活性層の側面に設けられ、前記活性層の抵抗が高い場合、前記活性層の抵抗を低くするために、電子をキャリアとするときは正電圧が印加され、正孔をキャリアとするときは負電圧が印加され、前記活性層の抵抗が低い場合、前記活性層の抵抗を高くするために、電子をキャリアとするときは負電圧が印加され、正孔をキャリアとするときは正電圧が印加される第１抵抗制御用電極とを備えることを特徴とする量子型光検知器。
【請求項２】
前記電極に接続された第１電源と、
前記第１抵抗制御用電極に接続され、前記第１電源とは異なる第２電源とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の量子型光検知器。
【請求項３】
前記第１抵抗制御用電極は、前記活性層の厚さ方向中央部のみに設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の量子型光検知器。
【請求項４】
前記活性層は、量子ドットと、前記量子ドットを挟み、前記量子ドットよりもバンドギャップが大きい中間層とを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子型光検知器。
【請求項５】
前記活性層の前記一の側面に対して反対側の他の側面に設けられた第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜を介して前記活性層の側面に設けられ、前記活性層の抵抗が高い場合、前記活性層の抵抗を低くするために、電子をキャリアとするときは正電圧が印加され、正孔をキャリアとするときは負電圧が印加され、前記活性層の抵抗が低い場合、前記活性層の抵抗を高くするために、電子をキャリアとするときは負電圧が印加され、正孔をキャリアとするときは正電圧が印加される第２抵抗制御用電極とを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の量子型光検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子型光検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射した光を吸収した場合に流れる電流によって光を検知する光検知器として、活性層と、この活性層を挟むコンタクト層とを備える量子型光検知器がある。
量子型光検知器としては、例えば図１３に示すように、基板１００上に、量子ドット１０４と中間層１０５とからなる活性層１０１と、この活性層１０１を挟む上部及び下部コンタクト層１０２，１０３とを備える量子ドット型光検知器がある。
【０００３】
この量子ドット型光検知器では、上部コンタクト層１０２に上部電極１０６が取り付けられており、下部コンタクト層１０３に下部電極１０７が取り付けられている。そして、上部電極１０６及び下部電極１０７には、電源１０８及び電流検出器１０９が接続されている。これにより、電源１０８から供給されるバイアス電圧によって上部電極１０６と下部電極１０７との間に電位差を与えておき、これらの電極間に流れる光電流を電流検出器１０９によって検出することができるようになっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Zhengmao Ye et al., “InAs quantum dot infrared photodetectors with In0.15Ga0.85As strain-relief cap layers”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 92, NUMBER 12, 15 DECEMBER 2002, PP. 7462-7468
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の量子型光検知器では、電源１０８や電流検出器１０９の性能によって、印加できる電圧や精度良く検出できる電流が制限されてしまう。このため、電源１０８や電流検出器１０９の性能に合うように、活性層１０１の抵抗を所望の値に制御することが必要になる。
一般に、活性層の抵抗は、活性層の不純物ドーピング濃度を調節することによって制御される。
【０００６】
しかしながら、この方法では、素子結晶成長時に不純物ドーピング濃度を調節するしかなく、例えば素子結晶を加工し、光検知器を構成した後に活性層の抵抗を制御することはできない。このため、活性層の抵抗が所望の値から外れていた場合には不良品となってしまい、歩留まりが良くない。
また、例えば信号雑音比の高い光検知器を実現するために、光吸収量が増加するように活性層の厚さを厚くすることが考えられる。しかしながら、活性層の厚さを厚くすると、素子結晶成長時に意図せず混入する背景不純物や不純物ドーピング濃度のばらつきなどの影響によって、活性層の抵抗を制御するのが難しくなり、歩留まりが低下する。
【０００７】
そこで、量子型光検知器の活性層の抵抗を確実に制御できるようにし、歩留まりを向上させたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本量子型光検知器は、活性層と、活性層を挟むコンタクト層と、コンタクト層に設けられた電極と、活性層の少なくとも一の側面に設けられた第１絶縁膜と、第１絶縁膜を介して活性層の側面に設けられ、活性層の抵抗が高い場合、活性層の抵抗を低くするために、電子をキャリアとするときは正電圧が印加され、正孔をキャリアとするときは負電圧が印加され、活性層の抵抗が低い場合、活性層の抵抗を高くするために、電子をキャリアとするときは負電圧が印加され、正孔をキャリアとするときは正電圧が印加される第１抵抗制御用電極とを備えることを要件とする。
【発明の効果】
【０００９】
したがって、本量子型光検知器によれば、活性層の抵抗を確実に制御でき、歩留まりを向上させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態にかかる量子型光検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図２】本実施形態にかかる量子型光検知器に含まれる光検知素子の構成を示す模式的断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器における抵抗制御用電極から活性層までのＭＩＳ構造断面のポテンシャルを示す概略図であり、（Ａ）は、抵抗制御用電極に電圧が印加されていない場合のポテンシャルの状態を示しており、（Ｂ）は、抵抗制御用電極に正電圧Ｖｂが印加された場合のポテンシャルの状態を示しており、（Ｃ）は、抵抗制御用電極に負電圧Ｖｂが印加された場合のポテンシャルの状態を示している。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器におけるコンタクト層間の活性層断面のポテンシャルを示す概略図であり、（Ａ）は、抵抗制御用電極に電圧が印加されていない状態で活性層のポテンシャルが高い場合のポテンシャルの状態を示しており、（Ｂ）は、その場合に抵抗制御用電極に正電圧Ｖｂが印加された場合のポテンシャルの状態を示している。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器におけるコンタクト層間の活性層断面のポテンシャルを示す概略図であり、（Ａ）は、電子をキャリアとし、抵抗制御用電極に電圧が印加されていない状態で活性層の抵抗が高い場合、又は、正孔をキャリアとし、抵抗制御用電極に電圧が印加されていない状態で活性層の抵抗が低い場合のポテンシャルの状態を示しており、（Ｂ）は、これらの場合に活性層の抵抗を制御するために抵抗制御用電極に正電圧を印加した場合のポテンシャルの状態を示しており、（Ｃ）は、電子をキャリアとし、抵抗制御用電極に電圧が印加されていない状態で活性層の抵抗が低い場合、又は、正孔をキャリアとし、抵抗制御用電極に電圧が印加されていない状態で活性層の抵抗が高い場合のポテンシャルの状態を示しており、（Ｄ）は、これらの場合に活性層の抵抗を制御するために抵抗制御用電極に負電圧を印加した場合のポテンシャルの状態を示している。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例を示す模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｃ）は平面図であり、（Ｄ）〜（Ｆ）は断面図であり、（Ａ）と（Ｄ）、（Ｂ）と（Ｅ）、（Ｃ）と（Ｆ）は、それぞれ、同一の工程を示している。
【図８】（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｃ）は平面図であり、（Ｄ）〜（Ｆ）は断面図であり、（Ａ）と（Ｄ）、（Ｂ）と（Ｅ）、（Ｃ）と（Ｆ）は、それぞれ、同一の工程を示している。
【図９】（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｃ）は平面図であり、（Ｄ）〜（Ｆ）は断面図であり、（Ａ）と（Ｄ）、（Ｂ）と（Ｅ）、（Ｃ）と（Ｆ）は、それぞれ、同一の工程を示している。
【図１０】（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｃ）は平面図であり、（Ｄ）〜（Ｆ）は断面図であり、（Ａ）と（Ｄ）、（Ｂ）と（Ｅ）、（Ｃ）と（Ｆ）は、それぞれ、同一の工程を示している。
【図１１】（Ａ）〜（Ｆ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）〜（Ｃ）は平面図であり、（Ｄ）〜（Ｆ）は断面図であり、（Ａ）と（Ｄ）、（Ｂ）と（Ｅ）、（Ｃ）と（Ｆ）は、それぞれ、同一の工程を示している。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態にかかる量子型光検知器の具体的構成例の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ａ）と（Ｂ）は同一の工程を示している。
【図１３】従来の量子ドット型光検知器の構成を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる量子型光検知器について、図１〜図１２を参照しながら説明する。
本実施形態では、量子型光検知器として、例えば赤外線の入射量に応じて光電流を発生する赤外線検知器であって、量子ドットを赤外線吸収部として用いる量子ドット型赤外線検知器（Quantum Dot Infrared Photodetector；ＱＤＩＰ）を例に挙げて説明する。なお、量子ドット型赤外線検知器を、量子ドット型光検知器ともいう。
【００１２】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器は、図１に示すように、基板１上に、光に対して活性な半導体材料からなる活性層２と、この活性層２を挟む上部及び下部コンタクト層３，４とを含む赤外線検知素子５と、これに接続された外部回路１６とを備える。ここでは、基板１は半絶縁性半導体基板である。
なお、活性層２を活性領域ともいう。また、活性層２は、光を吸収する層であるため、光吸収層ともいう。また、活性層２は、光電変換が行なわれる層であるため、光電変換層ともいう。また、コンタクト層３，４を、電極層又はコンタクト領域ともいう。また、赤外線検知素子５を、光検知素子、検知器素子、受光素子、光半導体素子、あるいは、感知部ともいう。また、赤外線検知素子５は、入射される光（ここでは赤外線）に応じて抵抗値が変化する抵抗体と見ることができるため、光伝導体型素子ともいう。
【００１３】
本実施形態では、赤外線検知素子５は、図２に示すように、活性層２として、量子ドット６と、量子ドット６を挟む中間層７とを備える複数の量子ドット層８を備える。つまり、赤外線検知素子５は、量子ドット６と、量子ドット６を挟み、量子ドット６よりもバンドギャップが大きい半導体材料からなる中間層７とを含む活性層２を備える。ここでは、１０層の量子ドット層８を設けている。
【００１４】
なお、活性層２を量子ドット活性層ともいう。また、中間層７を障壁層ともいう。
具体的には、赤外線検知素子５は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、下部ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４、ＩｎＡｓ量子ドット６の上下をＡｌＧａＡｓ中間層７で挟んでなる複数の量子ドット層８、上部ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３を積層した構造になっている。つまり、下部ＡｌＧａＡｓ中間層７上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット６を上部ＡｌＧａＡｓ中間層７によって埋め込むことによって各量子ドット層８が形成されており、これらの量子ドット層８を挟むように両側にｎ型ＧａＡｓコンタクト層３，４が設けられている。なお、複数の赤外線検知素子５を２次元アレイ状に配置して、赤外線検知素子アレイを構成しても良い。
【００１５】
ここで、ＩｎＡｓ量子ドット６は、自己組織化形成法によって形成されるため、成長方向に対して垂直な面内に分布する。ここでは、赤外線の検知効率を高めるために、この面内に分布した複数のＩｎＡｓ量子ドット６を含む量子ドット層８を複数積層している。
また、ＡｌＧａＡｓ中間層７は、例えばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ中間層である。
また、図１に示すように、上部ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３及び下部ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４には、それぞれ、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部電極９及び下部電極１０が取り付けられている。
【００１６】
なお、上部電極９及び下部電極１０を電流引出用電極ともいう。また、上部電極９及び下部電極１０は、赤外線検知素子５を駆動するとともに、活性層２に赤外線が入射し、これに応じて生じた光電流を読み出すために用いられるものであるため、駆動電極又は駆動・読出用電極ともいう。
また、上部電極９及び下部電極１０には、赤外線検知素子５を駆動する機能と、赤外線検知素子５に流れる光電流を読み出す機能とを有する外部回路１６が接続されている。
【００１７】
ここで、外部回路１６は、上部電極９と下部電極１０との間にバイアス電圧を印加し、赤外線検知素子５を駆動する電源１１と、赤外線検知素子５に流れる光電流を検出する電流検出器１２とによって構成されている。ここでは、電源１１は定電圧源である。
なお、電流検出器１２は、光電流を検出するものであれば良く、例えば電圧によって光電流を検出するものであっても良い。また、電源１１を駆動電源又は電源回路ともいう。また、電流検出器１２を電流検出回路ともいう。
【００１８】
そして、電源１１から供給されるバイアス電圧によって上部電極９と下部電極１０との間に電位差を与えておき、これらの電極間に流れる光電流を電流検出器１２によって検出することができるようになっている。
これにより、赤外線入射時の電流変化、即ち、活性層２に赤外線が入射し、光電流が生じることによる電流変化を検出することで、赤外線を検知することができるようになっている。
【００１９】
なお、複数の赤外線検知素子５を２次元アレイ状に配置して赤外線検知素子アレイを構成する場合、赤外線検知素子アレイにバンプを介して接続される信号処理回路アレイが、外部回路１６を含むことになる。
このように構成される量子ドット型赤外線検知器では、活性層２に光が入射すると、量子ドット６に存在する束縛電子が入射光を吸収して励起され、量子ドット６の束縛から脱する。そして、量子ドット６の束縛から脱した電子は、上部電極９と下部電極１０との間の電位差によって一方の電極に集められ、光電流が生じる。この赤外線検知素子５を流れる電流の変化を読み出すことによって、光信号を検出することができる。
【００２０】
ところで、本実施形態では、上述の上部電極９及び下部電極１０とは別に、さらに、活性層２の側面に、絶縁膜１３を介して、活性層２の抵抗を制御するのに用いる抵抗制御用電極１４が取り付けられている。そして、抵抗制御用電極１４、絶縁膜１３及び活性層２は、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造を構成する。このため、絶縁膜１３は誘電率が高いものが好ましい。
【００２１】
ここでは、活性層２の一の側面に設けられた第１絶縁膜１３Ａと、第１絶縁膜１３Ａを介して活性層２に接続された第１抵抗制御用電極１４Ａとを備える。また、活性層２の一の側面に対して反対側の他の側面に設けられた第２絶縁膜１３Ｂと、第２絶縁膜１３Ｂを介して活性層２に接続された第２抵抗制御用電極１４Ｂとを備える。つまり、第２抵抗制御用電極１４Ｂは、第１抵抗制御用電極１４Ａに対して活性層２を挟んで反対側に設けられている。このように、本実施形態では、活性層２の側面に複数の抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂが設けられている。
【００２２】
ここで、各抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂは、コンタクト層３，４の近傍には設けられておらず、活性層２の側方のみに設けられている。ここでは、各抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂは、活性層２の厚さ方向中央部のみに設けられている。このように、各抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂは、活性層２の側面全面には設けられておらず、電極９，１０のそれぞれから離れた位置に設けられている。これは、電極９，１０と抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂとの間にかかる電圧によって絶縁破壊が生じるのを防止するためである。
【００２３】
また、第１抵抗制御用電極１４Ａ及び第２抵抗制御用電極１４Ｂには、上述の上部電極９及び下部電極１０が接続されている電源１１（第１電源）とは異なる別の電源１５（第２電源）に接続されている。ここでは、電源１５は可変電圧源である。
なお、電源１５は、活性層２の抵抗を制御するための制御用バイアス電圧を供給するものであるため、抵抗制御用電源、制御用電源又は制御用バイアス電源ともいう。また、抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂのそれぞれに接続される電源１５は、同一の電源であっても良いし、異なる電源であっても良い。
【００２４】
そして、この電源１５から各抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂに活性層２の抵抗を制御するための制御用バイアス電圧が供給されるようになっている。
これにより、各抵抗制御用電極１４Ａ，１４Ｂに制御用バイアス電圧を印加することで、活性層２の抵抗を制御することができる。この結果、素子結晶成長後、光検知器を構成した後でも、活性層２の抵抗を制御することができ、光検知器の製造時の歩留まりが向上する。
【００２５】
このため、本実施形態では、上述の赤外線検知素子５に接続された外部回路１６は、上述の機能のほかに、赤外線検知素子５の活性層２の抵抗を制御する機能も有する。つまり、外部回路１６は、上述の駆動電源１１及び電流検出器１２のほかに、抵抗制御用電源１５も備える。
ここで、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、抵抗制御用電極１４から活性層２までのＭＩＳ構造断面のポテンシャルを示す概略図である。
【００２６】
抵抗制御用電極１４に電圧が印加されていない場合のポテンシャルの状態（エネルギーバンドダイヤグラム）は、図３（Ａ）に示すようになる。そして、抵抗制御用電極１４に電圧を印加すると、図３（Ｂ），図３（Ｃ）に示すように、印加された電圧に応じて活性層２のポテンシャルは変調を受ける。このポテンシャルの変化によって活性層２にキャリアが誘起され、活性層２の伝導性が変化する。例えば、抵抗制御用電極１４に正電圧Ｖｂを印加すると、図３（Ｂ）に示すように、活性層２のポテンシャルは低下して電子が誘起され、活性層２のｎ型伝導性が強まる。一方、抵抗制御用電極１４に負電圧Ｖｂを印加すると、活性層２のポテンシャルは上がって正孔が誘起され、活性層２のｐ型伝導性が強まる。そして、活性層２のキャリア密度に応じて活性層２の抵抗は変化するため、抵抗制御用電極１４に印加される電圧を調節することで、活性層２の抵抗を制御することができる。
【００２７】
また、図４（Ａ），図４（Ｂ）は、コンタクト層３，４間の活性層２の断面のポテンシャルを示す概略図である。
例えば、図４（Ａ）に示すように、結晶成長時の意図しないｐ型不純物の混入や結晶欠陥の存在などによって、抵抗制御用電極１４に電圧を印加していない状態で、活性層２のポテンシャルが高くなってしまう場合がある。この場合、活性層２の電子密度が低くなるため、活性層２は高抵抗になる。このような場合に、抵抗制御用電極１４に正電圧を印加すると、図４（Ｂ）に示すように、活性層２のポテンシャルが低下し、電子が誘起され、活性層２は低抵抗化する。
【００２８】
つまり、図５（Ａ）に示すように、電子をキャリアとし、抵抗制御用電極１４に電圧が印加されていない状態で活性層２の抵抗が高い場合には、抵抗制御用電極１４に正電圧を印加することで、図５（Ｂ）に示すように、活性層２の抵抗を低くすることができる。同様に、正孔をキャリアとし、抵抗制御用電極１４に電圧が印加されていない状態で活性層２の抵抗が低い場合にも、抵抗制御用電極１４に正電圧を印加することで、活性層２の抵抗を高くすることができる。
【００２９】
一方、図５（Ｃ）に示すように、電子をキャリアとし、抵抗制御用電極１４に電圧が印加されていない状態で活性層２の抵抗が低い場合には、抵抗制御用電極１４に負電圧を印加することで、図５（Ｄ）に示すように、活性層２の抵抗を高くすることができる。同様に、正孔をキャリアとし、抵抗制御用電極１４に電圧が印加されていない状態で活性層２の抵抗が高い場合にも、抵抗制御用電極１４に負電圧を印加することで、活性層２の抵抗を低くすることができる。
【００３０】
このように、活性層２の抵抗が所望の値になっていない場合に、抵抗制御用電極１４に適切な極性の電圧を印加することで、活性層２の抵抗を制御することができる。
上述のように、抵抗制御用電極１４に電圧を印加し、活性層２のポテンシャルを変調させることで、活性層２の抵抗を制御しているが、ポテンシャルの変調は主に活性層２の抵抗制御用電極１４に近い領域で起こるため、活性層２の幅を十分に薄くするのが好ましい。つまり、活性層２の側面に設けられた抵抗制御用電極１４に印加される電圧によって、活性層２の幅方向の全体にわたってポテンシャルを変調させることができるように、活性層２の幅を十分に薄くするのが好ましい。
【００３１】
次に、本実施形態にかかる量子型光検知器の製造方法について、図６〜図１２を参照しながら説明する。
なお、ここでは、図６（Ａ）図６（Ｂ）に示すような量子ドット型赤外線検知器の具体的構成例の製造方法、即ち、分離溝２０によって分離された複数の赤外線検知素子５を備える量子ドット型赤外線検知器の製造方法を例に挙げて説明する。なお、図６（Ａ），図６（Ｂ）中、符号２１〜２３は金属配線を示しており、符号２４はＳｉＯ２膜（絶縁膜）を示している。
【００３２】
まず、図７（Ａ），図７（Ｄ）に示すように、例えば分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法によって、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、例えば基板温度約６００℃で、下部コンタクト層となるｎ型ＧａＡｓコンタクト層４を形成する。ここで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４の厚さは例えば約１０００ｎｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば約２×１０１８／ｃｍ３とする。
【００３３】
次いで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４上に、量子ドット活性層２を形成する。
つまり、まず、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４上に、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７を形成する（図２参照）。ここで、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７は、Ａｌ組成ｘを例えば約０．２とし、厚さは例えば約５０ｎｍとする。
次に、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７を成長させている間に、基板温度を例えば約６００℃から約４８５℃に低下させる。
【００３４】
そして、成長速度を例えば約０．２分子層／秒（ＭＬ／ｓ）として、ＩｎＡｓを約２．３分子層分供給する。ある程度の量を供給することによってＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長してＩｎＡｓ量子ドット６が形成される（自己組織化形成法）（図２参照）。
次に、ＩｎＡｓ量子ドット６を覆うように、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７を形成する（図２参照）。ここで、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７は、Ａｌ組成ｘを例えば約０．２とし、厚さは例えば約５０ｎｍとする。
【００３５】
その後、上述のＩｎＡｓ量子ドット６の形成工程と、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７の形成工程とを、交互に例えば９回繰り返す（図２参照）。
そして、最後のｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７を成長させている間に、基板温度を例えば約４８５℃から約６００℃に上昇させる。
このようにして、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４上に、ＩｎＡｓ量子ドット６とｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７とを備える量子ドット活性層２を形成する。
【００３６】
次に、最上層のｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７上に、例えば基板温度６００℃で、上部コンタクト層となるｎ型ＧａＡｓコンタクト層３を形成する。ここで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３の厚さは例えば約１０００ｎｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば約２×１０１８／ｃｍ３とする。
このようにして、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、活性層２を構成する複数の量子ドット層８がｎ型ＧａＡｓコンタクト層３，４によって挟み込まれた積層構造を備えるウェハ（ＭＢＥ成膜後の基板）が形成される。
【００３７】
次に、図７（Ｂ），図７（Ｅ）に示すように、例えばリソグラフィ及びドライエッチングによって、複数の赤外線検知素子５（画素）が形成されるように分離溝２０を形成する。ここでは、表面側から基板側に位置するｎ型ＧａＡｓコンタクト層４に達する分離溝２０を形成する。
この分離溝２０の形成にあたっては、活性層２の両側面に設けられる抵抗制御用電極１４に印加される電圧によって活性層２の抵抗を制御できるように、各赤外線検知素子５の活性層２の幅を決定する。
【００３８】
ここで、抵抗制御用電極１４に電圧を印加した場合に、活性層２中で印加電界が届く領域の深さは、活性層２の不純物ドーピング濃度、絶縁膜１３の厚さ、活性層２の材料及び絶縁膜１３の材料の誘電率などのパラメータから見積もることができる。例えば、S.M.Sze et al., “Physics of Semiconductor Devices third edition”, Wiley-Interscience, pp.198-207参照。
【００３９】
ここでは、ｉ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ中間層７に意図しない背景不純物が約１０１５／ｃｍ３程度の濃度で混入してドナー不純物又はアクセプタ不純物として働くものとし、絶縁膜１３の厚さを約１０ｎｍとし、活性層材料及び絶縁膜材料の比誘電率を約１０とする。そして、活性層２の両側に設けられる抵抗制御用電極１４のそれぞれに約１〜約４Ｖの範囲で電圧を印加した場合、活性層２の両側面から印加される電界が届く領域の合計深さは約２〜約４μｍ程度と見積もられる。このため、活性層２の両側に抵抗制御用電極１４を設ける場合、活性層２の幅を約２〜約４μｍ程度とすれば、活性層２の幅方向の全体にわたってポテンシャルを変調させることができることになる。これに基づいて、ここでは、各赤外線検知素子５の活性層２の幅が約３μｍ程度になるように、分離溝２０を形成する。
【００４０】
次に、図７（Ｃ），図７（Ｆ）に示すように、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いたＣＶＤ（Chemical vapor deposition；ＴＥＯＳ−ＣＶＤ）法によって、例えばＳｉＯ２膜２４を埋め込み成長させる。例えばI.A.Shareef et al., “Subatmaspheric chemical vapor deposition ozone/TEOS process for SiO2 trench filling”, J.Vac.Sci.Technol.B 13(4), Jul/Aug 1995, pp.1888-1892参照。
【００４１】
そして、図８（Ａ），図８（Ｄ）に示すように、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）プロセスによって平坦化する。例えばＣｅＯ２系などの研磨剤を用いることで、上部ＧａＡｓコンタクト層３の表面が露出した段階で、ＧａＡｓとＳｉＯ２の研磨レートの違いによって、自動的に研磨が停止するようにすることができる。
次いで、図８（Ｂ），図８（Ｅ）に示すように、例えばリソグラフィ及びドライエッチングによって、下部ＧａＡｓコンタクト層４に達するコンタクト穴２５を形成する。
【００４２】
次に、レジスト剥離後、図８（Ｃ），図８（Ｆ）に示すように、例えばリソグラフィ、電子線蒸着やスパッタリング及びリフトオフによって、下部ＧａＡｓコンタクト層４上に下部電極１０を形成し、上部ＧａＡｓコンタクト層３上に上部電極９を形成する。つまり、まず、リソグラフィによって電極形成領域に窓を有するレジストを形成し、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの電極材料を電子線蒸着やスパッタリングによって成膜した後、レジストとともにリフトオフを行なって、上部電極９及び下部電極１０をパターニングする。その後、熱処理を行なって合金化する。このようにして、上部電極９及び下部電極１０を形成する。
【００４３】
なお、ここでは、下部ＧａＡｓコンタクト層４及び下部電極１０は、複数の赤外線検知素子５に共通であるため、それぞれ、共通コンタクト層、共通電極ともいう。一方、上部ＧａＡｓコンタクト層３及び上部電極９は、各赤外線検知素子５のそれぞれに別個に設けられている。
次に、図９（Ａ），図９（Ｄ）に示すように、例えばリソグラフィによって、分離溝２０の上方に窓２６Ａを有するレジスト２６を形成し、例えば時間制御のドライエッチングによって、図９（Ｂ），図９（Ｅ）に示すように、所望の深さまでＳｉＯ２膜２４を除去する。ここでは、ＳｉＯ２膜２４が例えば約２００ｎｍの厚さだけ残るように、ＳｉＯ２膜２４をエッチングする。なお、ＳｉＯ２膜２４をどの程度の深さまでエッチングするかは、抵抗制御用電極１４を設ける高さ位置によって決められる。
【００４４】
次いで、レジスト剥離後、図９（Ｃ），図９（Ｆ）に示すように、絶縁膜１３を形成するために、Ａｌ２Ｏ３膜１３Ｘを全面に成膜する。ここでは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Trimethylaluminium；Ａｌ（ＣＨ３）３）とＨ２Ｏの交互供給を用いる原子層堆積（ＡＬＤ：Atmic layer deposition）法によって、例えば約３００℃で、例えば約１０ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜１３Ｘを形成する。例えば、P.D.Ye et al, “GaAs metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with nanometer-thin dielectrc grown by atomic layer deposition”, Applied Physics Letters, Vol.83, No.1, 7 July 2003, pp.180-182参照。
【００４５】
なお、ＡＬＤ法による成膜前に、例えばＮＨ４溶液などによってＧａＡｓ系の自然酸化膜やエッチングによるダメージ層の除去を行なっても良い。
次に、図１０（Ａ），図１０（Ｄ）に示すように、抵抗制御用電極１４を形成するために、例えばＴｉ／Ａｕ層１４Ｘを全面に成長させる。
その後、図１０（Ｂ），図１０（Ｅ）に示すように、例えばリソグラフィによって分離溝２０の上方に窓２７Ａを有するレジスト２７を形成し、例えば異方性のイオンミリングなどによって、分離溝２０の上方に埋め込まれているＴｉ／Ａｕ層１４Ｘの一部を除去する。ここでは、所望の厚さ（ここでは約１５０ｎｍ）のＴｉ／Ａｕ層１４Ｘが残るようにする。これにより、所望の厚さのＴｉ／Ａｕ層１４Ｘからなる抵抗制御用電極１４が形成される。なお、抵抗制御用電極１４は、分離溝２０の中に埋め込まれるため、埋め込み電極ともいう。また、抵抗制御用電極１４は、側面電極ともいう。
【００４６】
次いで、図１０（Ｃ），図１０（Ｆ）に示すように、レジスト２７を剥離した後、再度、例えばリソグラフィによって、分離溝２０の上方を覆うようにレジスト２８を形成する。その後、レジスト２８によって覆われていない領域に形成されているＴｉ／Ａｕ層１４Ｘを例えばイオンミリングによって除去し、さらに、Ａｌ２Ｏ３層１３Ｘを例えば希ＨＦなどを用いたエッチングによって除去する。
【００４７】
このようにして、各赤外線検知素子５の側面、即ち、活性層２の一の側面及び他の側面に絶縁膜１３が形成される。また、各赤外線検知素子５の側面、即ち、活性層２の一の側面及び他の側面に絶縁膜１３を介して接続された抵抗制御用電極１４が形成される。
次に、図１１（Ａ），図１１（Ｄ）に示すように、レジスト２８を剥離した後、図１１（Ｂ），図１１（Ｅ）に示すように、例えばＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ２膜２４（絶縁膜）を埋め込み成長させ、ＣＭＰによって平坦化する。
【００４８】
そして、図１１（Ｃ），図１１（Ｆ）に示すように、例えばリソグラフィ及びドライエッチングによって、コンタクト領域、即ち、上部電極９、下部電極１０及び抵抗制御用電極１４の上方のＳｉＯ２膜２４に窓２４Ａを開ける。そして、図１２（Ａ），図１２（Ｂ）に示すように、各電極９，１０，１４に接続されるように金属配線２１〜２３を形成する。
【００４９】
次いで、ウェハをチップサイズにダイシングする。
その後、各赤外線検知素子５に外部回路１６を接続する。つまり、各赤外線検知素子５に設けられた上部電極９及び下部電極１０に、駆動電源１１及び電流検出器１２を接続し、各赤外線検知素子５の側面に絶縁膜１３を介して設けられた抵抗制御用電極１４に、制御用電源１５を接続する（図１参照）。これにより、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
【００５０】
したがって、本実施形態にかかる量子型光検知器によれば、活性層２の抵抗を確実に制御でき、歩留まりを向上させることができるという利点がある。
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上述の実施形態では、活性層２の幅を薄くし、活性層２の一の側面及び他の側面の２つの側面のそれぞれに抵抗制御用電極１４を設けているが、これに限られるものではない。例えば、活性層の一の側面及び他の側面のいずれか一方の側面に抵抗制御用電極を設けるだけでも良い。また、例えば、活性層の幅を薄くせずに、例えば、活性層の幅及び奥行きを同一にし、４つの側面のそれぞれに抵抗制御用電極を設けても良いし、４つの側面のうち、一の側面及び一の側面の反対側の他の側面の２つの側面に抵抗制御用電極を設けても良い。要するに、活性層の少なくとも一の側面に抵抗制御用電極を設ければ良い。この場合、絶縁膜も、活性層の少なくとも一の側面、即ち、抵抗制御用電極を設ける一の側面に設ければ良い。
【００５１】
また、上述の実施形態では、活性層２を量子ドット活性層としているが、これに限られるものではなく、例えば活性層を量子井戸活性層としても良い。つまり、本発明は、量子井戸型光検知器に適用することもできる。
また、上述の実施形態では、活性層２に不純物をドーピングしていないが、これに限られるものではなく、例えば、抵抗制御用電極に印加される電圧によって活性層の抵抗を制御できるのであれば、活性層に不純物がドーピングされていても良い。
【００５２】
また、上述の実施形態の赤外線検知素子を構成する各半導体層、絶縁膜、電極等の材料や形成方法等についても、上述の実施形態のものに限られるものではない。例えば、上述の実施形態では、活性層２と抵抗制御用電極１４との間に設ける絶縁膜としてＡｌ２Ｏ３膜を用いているが、これに限られるものではなく、例えばＨｆＯ２膜やＳｉＯ２膜などを絶縁膜として用いても良い。
【符号の説明】
【００５３】
１  基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）
２  活性層
３  上部コンタクト層（上部ｎ型ＧａＡｓコンタクト層）
４  下部コンタクト層（下部ｎ型ＧａＡｓコンタクト層）
５  赤外線検知素子
６  量子ドット（ＩｎＡｓ量子ドット）
７  中間層（ＡｌＧａＡｓ中間層）
８  量子ドット層
９  上部電極
１０  下部電極
１１  電源（駆動電源）
１２  電流検出器
１３  絶縁膜
１３Ａ  第１絶縁膜
１３Ｂ  第２絶縁膜
１３Ｘ  Ａｌ２Ｏ３膜
１４  抵抗制御用電極
１４Ａ  第１抵抗制御用電極
１４Ｂ  第２抵抗制御用電極
１４Ｘ  Ｔｉ／Ａｕ層
１５  電源（制御用電源）
１６  外部回路
２０  分離溝
２１〜２３  金属配線
２４  ＳｉＯ２膜
２５  コンタクト穴
２６  レジスト
２６Ａ  窓
２７  レジスト
２７Ａ  窓
２８  レジスト
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図６】
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【図１０】
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【図１２】
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