(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に配置され、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層の上に配置され、前記量子ドット層を通過した光を反射して前記量子ドット層に再入射させると共に、第１の方向の偏光成分を、前記第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して前記量子ドット層に再入射させる再入射構造物と
を有する光検知素子。
【請求項２】
第１の波長の、前記第１の方向の偏光成分が前記量子ドット層を通過するときの吸収確率と、前記第１の波長の、前記第２の方向の偏光成分が前記量子ドット層を通過するときの吸収確率とが異なる請求項１に記載の光検知素子。
【請求項３】
前記再入射構造物は、前記量子ドット層の第１の領域を厚さ方向に通過した光を、前記量子ドット層の、前記第１の領域とは異なる第２の領域に再入射させ、再入射する光の進行方向は、前記第１の領域を厚さ方向に通過する光の進行方向と反平行である請求項１または２に記載の光検知素子。
【請求項４】
前記再入射構造物は、
前記量子ドット層の前記第１領域を、前記基板側から上方に通過した光を、前記基板の表面に平行な方向に反射する第１の反射面と、
前記第１の反射面で反射した光を、前記第２領域に向けて反射する中間反射面と、
前記中間反射面で反射して前記第２領域に導入された光を、前記基板の厚さ方向に反射し、前記量子ドット層に再入射させる第２の反射面と
を含む請求項３に記載の光検知素子。
【請求項５】
前記再入射構造物は、
前記量子ドット層の第１領域を、前記基板側から上方に通過した光を、前記基板の表面に平行であって前記第１の方向に対して斜めの方向に反射する第１の反射面と、
前記第１領域とは異なる第２領域に配置され、前記第１の反射面で反射された光を、前記基板の厚さ方向に反射して、前記量子ドット層に再入射させる第２の反射面と
を含む請求項３に記載の光検知素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを用いた光検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット型光検知素子は、量子ドットを積層した量子ドット層と、量子ドット層を挟む半導体電極層とにより構成される。量子ドット層は、例えばＡｌＧａＡｓ層と、ＩｎＡｓ量子ドットとを含む。ＩｎＡｓ量子ドットを井戸とし、ＡｌＧａＡｓ層をポテンシャル障壁として電子を３次元方向に閉じ込める量子井戸構造が、伝導帯に形成される。１つの量子井戸内に、離散的に分布する複数の量子準位が存在する。ある２つの量子準位の差に相当するエネルギを持つ光、例えば赤外線が入射すると、低エネルギ側の量子準位（遷移元準位）の電子が、赤外線を吸収し、高エネルギ側の量子準位（遷移先準位）に遷移する。この遷移は、サブバンド間遷移と呼ばれる。
【０００３】
量子ドット層を挟む電極層の間に電圧を印加しておくと、遷移先準位に励起された電子が、例えばトンネル過程、熱励起等によってＡｌＧａＡｓ層の伝導帯内へ放出される。ＡｌＧａＡｓ層の伝導帯から半導体電極層に到達した電子を電流として捉えることにより、赤外線を検知することができる。
【０００４】
キャリアを２次元面内に閉じ込める（厚さ方向に閉じ込める）多重量子井戸（ＭＱＷ）層の上に回折格子を配置した赤外線検知器が提案されている。ＭＱＷ層は、赤外線のうちエピタキシャル面に垂直な電界の成分のみを吸収する。ＭＱＷ層に垂直入射した赤外線は、そのままではＭＱＷ層で吸収されない。赤外線が、回折格子によって回折されて進行方向を変えることにより、ＭＱＷ層で吸収される偏光成分を持つようになる。
【０００５】
一方、量子ドット層は、エピタキシャル面に平行な電界成分をもつ光を吸収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２３１３６４号公報
【特許文献２】特開２０００−１５６５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光検知素子の検知効率を高めることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によると、
基板の上に配置され、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層の上に配置され、前記量子ドット層を通過した光を反射して前記量子ドット層に再入射させると共に、第１の方向の偏光成分を、前記第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して前記量子ドット層に再入射させる再入射構造物と
を有する光検知素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
第１の方向の偏光成分を、第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して量子ドット層に再入射させることにより、検知効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１による光検知素子の斜視図である。
【図２】実施例１による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図である。
【図３】実施例１による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図である。
【図４】（４Ａ）は、実施例１による光検知素子の量子ドットの量子準位を示す線図であり、（４Ｂ）は、波長、偏光方向、及び吸収確率の関係を示す図表である。
【図５】（５Ａ）は、実施例１による光検知素子の吸収光量を、入射領域、偏光方向ごとに示す図表であり、（５Ｂ）は、比較例による光検知素子の吸収光量を、入射領域、偏光方向ごとに示す図表である。
【図６−１】（６Ａ）及び（６Ｂ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図である。
【図６−２】（６Ｃ）及び（６Ｄ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図である。
【図６−３】（６Ｅ）及び（６Ｆ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図である。
【図６−４】（６Ｇ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図であり、（６Ｈ）は、実施例１による光検知素子の断面図である。
【図７】実施例２による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図である。
【図８】（８Ａ）は、実施例３による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図であり、（８Ｂ）は、（８Ａ）の一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図であり、（８Ｃ）は、実施例３による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図である。
【図９】実施例４による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施例１］
図１に、実施例１による光検知素子の斜視図を示す。半導体基板１０の上に下部電極層１１が形成されている。半導体基板１０には、例えば（００１）面を表面とするＧａＡｓ基板が用いられる。下部電極層１１は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成される。下部電極層１１の厚さは、例えば１μｍであり、ｎ型不純物であるＳｉの濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
【００１２】
下部電極層１１の上に、量子ドット層１２が形成され、その上に上部電極層１３が形成されている。量子ドット層１２は、例えば、各々がＡｌＧａＡｓ障壁層と、障壁層の表面に分布する複数のＩｎＡｓ量子ドットとからなる９層の繰返し単位と、最上の繰返し単位の上に形成されたＡｌＧａＡｓ障壁層とを含む。上部電極層１３は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成される。障壁層の各々の厚さは、例えば５０ｎｍである。ＩｎＡｓ量子ドットは、自己組織化形成法により形成される。上部電極層１３の厚さは、例えば７μｍであり、ｎ型不純物であるＳｉの濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。
【００１３】
量子ドット層１２及び上部電極層１３は、正方形の第１領域２１、正方形の第２領域２２、及び直角二等辺三角形の中間領域２３を接続した平面形状を有する。中間領域２３の直角を挟む２つの辺が、それぞれ第１領域２１及び第２領域２２の１つの辺と共有される。中間領域２３の直角を挟む２つの辺の各々の長さ、及び第１領域２１及び第２領域２２の正方形の１辺の長さは、例えば６μｍである。
【００１４】
半導体基板１０の表面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸の正の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。第１領域２１及び第２領域２２の辺は、ｘ軸またはｙ軸に平行である。中間領域２３の直角を挟む辺の一方はｘ軸に平行であり、他方はｙ軸に平行である。第１領域２１から中間領域２３に向かう方向をｘ軸の正の向きとし、中間領域２３から第２領域２２に向かう方向をｙ軸の正の向きとする。
【００１５】
中間領域２３の上部電極層１３の上面２９は、半導体基板１０の表面と平行である。第１領域２１の上部電極層１３の上面２６、及び第２領域２２の上部電極層１３の上面２７は、中間領域２３から遠ざかるに従って低くなるように傾斜している。半導体基板１０の表面に対する傾斜角は４５°である。
【００１６】
下部電極層１１の上に下部電極１５が形成され、中間領域２３の上部電極層１３の上に、上部電極１６が形成されている。下部電極１５及び上部電極１６は、それぞれ下部電極層１１及び上部電極層１３にオーミック接触している。下部電極１５及び上部電極１６は、例えばＡｕＧｅ層とＡｕ層との２層構造を有する。
【００１７】
直流電源１７が、下部電極１５と上部電極１６との間に電圧を印加する。電流計１８が、下部電極１５と上部電極１６との間を流れる電流を検出する。
【００１８】
第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３の上部電極層１３の上面が、反射金属膜で覆われている。図１においては、反射金属膜を図示していない。反射金属膜は、例えばＴｉ層とＡｕ層との２層構造を有する。
【００１９】
第１領域２１の半導体基板１０の底面に垂直入射した赤外線３０は、第１領域２１の量子ドット層１２を厚さ方向に通過して、上部電極層１３の上面２６に達する。上面２６は、量子ドット層１２を通過した光を、ｘ軸の正の向きに反射する。上面２６を「第１の反射面」ということとする。第１の反射面２６で反射した光は、中間領域２３内に進入し、上部電極層１３の側面のうち、中間領域２３の直角二等辺三角形の斜辺に対応する側面２８に入射する。上部電極層１３の屈折率が約３．３、大気の屈折率が約１．０であり、側面２８への入射角が４５°であるため、側面２８に入射した赤外線は、ｙ軸の正の向きに全反射する。側面２８を、「中間反射面」ということとする。
【００２０】
中間反射面２８で反射した赤外線は、第２領域２２内に進入し、上部電極層１３の上面２７に達する。上面２７は、赤外線をｚ軸の負の向きに反射する。上面２７を、「第２の反射面」ということとする。第２の反射面２７で反射した赤外線は、量子ドット層１２に再入射する。再入射する赤外線の進行方向は、第１領域２１の量子ドット層１２を通過する赤外線の進行方向と反平行である。
【００２１】
このように、第１の反射面２６、中間反射面２８、及び第２の反射面２７は、量子ドット層１２を通過した光を、量子ドット層１２に再入射させる機能を持つ。第１の反射面２６、中間反射面２８、及び第２の反射面２７は、赤外線を量子ドット層１２に再入射させるための「再入射構造物」として機能する。
【００２２】
第２領域２２の半導体基板１０の底面に垂直入射した赤外線は、第１領域２１に入射した赤外線と同じ経路を逆向き伝搬する。
【００２３】
中間領域２３の半導体基板１０の底面に垂直入射した赤外線３１は、量子ドット層１２、上部電極層１３を通過し、上部電極層１３の上面２９に達する。上面２９は、赤外線をｚ軸の負の向きに反射する。上面２９を、「第３の反射面」ということとする。第３の反射面２９で反射した赤外線は、中間領域２３の量子ドット層１２に再入射する。
【００２４】
図２Ａを参照して、赤外線の偏光方向について説明する。図２Ａは、実施例１による光検知素子の平面図を示す。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の正の向きが、それぞれ半導体基板１０の［１−１０］方向、［１１０］方向、［００１］方向に対応する。ここで、ミラー指数の前に付したマイナス記号は、オーバーバーを意味する。
【００２５】
半導体基板１０の表面に第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３が画定されている。半導体基板１０の第１領域２１に、その底面から、ｙ軸方向に直線偏光した赤外線が入射した場合について説明する。半導体基板１０に入射した赤外線は、量子ドット層１２を通過し、第１の反射面２６でｘ軸の正の向きに反射され、その後、中間反射面２８でｙ軸の正の向きに反射される。ｙ軸の正の向きに伝搬する赤外線の偏光方向は、ｘ軸に平行である。
【００２６】
その後、第２の反射面２７で、ｚ軸の負の向きに反射され、量子ドット層１２に再入射する。第１領域２１の量子ドット層１２を通過する赤外線の偏光方向がｙ軸に平行であるのに対し、第２領域２２の量子ドット層１２を通過する赤外線の偏光方向は、ｘ軸に平行である。
【００２７】
図２Ｂに、半導体基板１０の第１領域２１に入射した赤外線の偏光方向がｘ軸に平行である場合の、偏光方向の変化を示す。第１の反射面２６で反射された後の赤外線の偏光方向はｚ軸に平行になる。中間反射面２８で反射された後の赤外線の偏光方向もｚ軸に平行である。第２の反射面２７で反射された後の赤外線の偏光方向はｙ軸に平行になる。このため、第２領域２２の量子ドット層１２を通過する赤外線の偏光方向は、ｙ軸に平行である。
【００２８】
このように、第１の反射面２６、中間反射面２８、及び第２の反射面２７からなる再入射構造物は、量子ドット層１２を通過した赤外線の偏光方向を９０°回転させて、量子ドット層１２に再入射させる。
【００２９】
量子ドット層１２の第２領域２２を通過した後、再入射構造物によって第１領域２１の量子ドット層１２に再入射する場合も、同様に、偏光方向が９０°回転する。
【００３０】
図３Ａに、半導体基板１０の中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向がｙ軸に平行である場合の、偏光方向の変化を示す。中間領域２３の量子ドット層１２をｚ軸の正の向きに通過した赤外線は、第３の反射面２９でｚ軸の負の向きに反射して、量子ドット層１２に再入射する。量子ドット層１２に再入射した赤外線の偏光方向は、当初の偏光方向と同一であり、ｙ軸に平行である。
【００３１】
図３Ｂに、半導体基板１０の中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向がｘ軸に平行である場合の、偏光方向の変化を示す。第３の反射面２９による反射で偏光方向は変化しないため、量子ドット層１２に再入射する赤外線の偏光方向もｘ軸に平行である。
【００３２】
図４Ａに、各量子ドットで構成される３次元閉じ込め量子井戸の伝導帯の量子準位の一例を示す。ｘ、ｙ、ｚ方向に関わる量子数を、それぞれｎｘ、ｎｙ、ｎｚとする。量子数ｎｘ、ｎｙ、ｎｚで規定される量子準位を、｜ｎｘｎｙｎｚ＞で表す。量子ドットは、その幾何学的形状の非対称性等に起因して、高次の量子準位はｘ、ｙ、ｚ方向に関して縮退していない。すなわち、量子準位｜００１＞、｜０１０＞、及び｜１００＞のエネルギレベルは、相互に異なる。
【００３３】
遷移元準位を基底準位である｜０００＞とする。基底準位と量子準位｜００１＞とのエネルギ差に相当する波長をλｚとし、基底準位と量子準位｜０１０＞とのエネルギ差に相当する波長をλｙとし、基底準位と量子準位｜１００＞とのエネルギ差に相当する波長をλｘとする。
【００３４】
図４Ｂに、波長、偏光方向、及び吸収確率の関係を示す。まず、波長λｘの赤外線が量子ドット層に入射する場合について説明する。波長λｘは、波長λｙ、λｚとは異なるため、遷移先準位が｜００１＞、｜０１０＞となるような遷移は生じない。また、波長がλｘであっても、偏光方向がｙ軸に平行である場合には、遷移先準位が｜１００＞となる遷移は生じない。波長λｘで、かつ偏光方向がｘ軸に平行である赤外線が、基底準位の電子に吸収されることによって、遷移先準位が｜１００＞となる遷移が生じる。この遷移確率（赤外線の吸収確率）をＰとする。
【００３５】
同様に、波長がλｙで、偏光方向がｘ軸に平行な赤外線は、量子ドット層に吸収されない。波長がλｙで、偏光方向がｙ軸に平行な赤外線は、量子ドット層に吸収される。この吸収確率をＰ１とする。
【００３６】
高次の量子準位｜１００＞等に励起された電子は、トンネル過程等によって量子ドット層１２の障壁層の伝導帯に遷移する。電子が障壁層の伝導帯に遷移すると、電流計１８（図１）により、電流変化として検出される。
【００３７】
図５Ａに、実施例１による光検知素子に波長λｘの赤外線が入射した場合に、量子ドット層１２（図１）で吸収される光量を、入射領域及び偏光方向ごとに示す。第１領域２１に入射する波長λｘの赤外線の光量を１とする。検出対象の物体から放射される赤外線のｘ偏光成分の光量と、ｙ偏光成分の光量とは、等しいと考えられる。従って、第１領域２１に入射する赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分の光量は、共に１／２になる。
【００３８】
第２領域２２の面積は、第１領域２１の面積と等しいため、第２領域２２に入射する赤外線の光量も１である。このため、第２領域２２に入射する赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分の光量は、共に１／２になる。中間領域２３の面積は、第１領域２１の面積の１／２であるため、中間領域２３に入射する赤外線の光量は、第１領域２１に入射する赤外線の光量の１／２になる。このため、中間領域２３に入射する赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分の光量は、共に１／４になる。
【００３９】
第１領域２１に入射した赤外線のｘ偏光成分が、第１領域２１の量子ドット層１２を通過するときの吸収確率は、図４Ｂに示したように、Ｐである。この赤外線は、中間領域２３の量子ドット層１２を通過しないため、中間領域２３の量子ドット層１２によって吸収されない。第２領域２２の量子ドット層１２を通過するときは、ｙ方向に偏光しているため、吸収確率は０である。なお、下部電極層１１及び上部電極層１３で赤外線の吸収は、無視できるほど小さい。
【００４０】
同様に、第１領域２１に入射した赤外線のｙ偏光成分の吸収確率は、第２領域２２においてＰになり、第１領域２１及び中間領域２３においては０である。
【００４１】
また、第２領域２２に入射した赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、第２領域２２においてＰになり、その他の領域では０である。第２領域２２に入射した赤外線のｙ偏光成分の吸収確率は、第１領域２１においてＰになり、その他の領域では０である。
【００４２】
中間領域２３に入射した赤外線が、量子ドット層１２を最初に通過するときのｘ偏光成分の吸収確率はＰである。量子ドット層１２を通過するときに吸収されない確率は１−Ｐである。量子ドット層１２を最初に通過したときに吸収されなかった赤外線が、量子ドット層１２に再入射する。再入射する赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、Ｐ（１−Ｐ）になる。このため、中間領域２３に入射する赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、Ｐ＋Ｐ（１−Ｐ）になる。中間領域２３に入射した赤外線のｙ偏光成分の吸収確率は０である。
【００４３】
量子ドット層１２に最初に入射する時点の光量に、吸収確率を乗じることにより、吸収光量が算出される。第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３に入射した赤外線の吸収光量の合計Ｐｅは、Ｐ（１０−Ｐ）／４になる。
【００４４】
図５Ｂに、第１の反射面２６及び第２の反射面２７が、共に半導体基板１０の表面に平行である比較例の光検知素子によって吸収される光量を示す。比較例では、第１領域２１及び第２領域２２に入射した赤外線は、実施例１の中間領域２３に入射した赤外線と同じ挙動を示す。
【００４５】
このため、第１領域２１及び第２領域２２に入射した赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、それぞれ第１領域２１及び第２領域２２においてＰ＋Ｐ（１−Ｐ）になる。その他の領域の吸収確率は０である。このため、第１の第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３に入射した赤外線の吸収光量の合計Ｐｒは、５Ｐ（２−Ｐ）／４になる。
【００４６】
Ｐｅ−Ｐｒ＝Ｐ２となる。吸収確率Ｐは、０＜Ｐ≦１であるた、Ｐの大きさに依らずＰｅ＞Ｐｒが成立する。すなわち、実施例１による光検知素子の吸収光量は、比較例による光検知素子の吸収光量よりも大きい。このため、赤外線検知感度の向上を図ることができる。
【００４７】
次に、図６Ａ〜図６Ｇを参照して、実施例１による光検知素子の製造方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｇは、図２Ａの一点鎖線６Ａ−６Ａにおける断面に対応する。
【００４８】
図６Ａに示すように、半導体基板１０の上に、下部電極層１１を形成する。半導体基板１０には、例えば（００１）ＧａＡｓ基板が用いられる。下部電極層１１は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成される。ｎ型不純物にはＳｉが用いられ、その濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。下部電極層１１の厚さは、例えば１μｍである。下部電極層１１の成膜には、例えば分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）が適用される。成膜時の基板温度は、例えば６００℃とする。
【００４９】
下部電極層１１の上に、量子ドット層１２を形成する。量子ドット層１２の形成には、たとえばＭＢＥが適用される。以下、量子ドット層１２の形成方法について説明する。
【００５０】
まず、下部電極層１１の上に、ＡｌＧａＡｓからなる最も下の障壁層１２Ｂを形成する。最も下の障壁層１２Ｂの形成時に、基板温度を６００℃から５００℃まで低下させる。障壁層１２ＢのＡｌ組成比は、例えば０．２であり、その厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００５１】
基板温度を５００℃に維持したまま、成長速度が毎秒０．２原子層になる条件で、２原子層分のＩｎＡｓ原料を供給する。この供給過程で、ＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓからなる量子ドット１２Ｄが形成される。この形成方法は、「自己組織化形成法」と呼ばれる。
【００５２】
量子ドット１２Ｄを覆うように、ＡｌＧａＡｓからなる厚さ５０ｎｍの障壁層１２Ｂを形成する。量子ドット１２Ｄの形成と、その上の障壁層１２Ｂの形成とを、合計９回繰り返す。最も上の障壁層１２Ｂを形成するときに、基板温度を５００℃から６００℃まで上昇させる。
【００５３】
基板温度を６００℃に維持して、量子ドット層１２の上に、上部電極層１３を、ＭＢＥにより形成する。上部電極層１３は、ｎ型ＧａＡｓで形成される。ｎ型不純物、及び不純物濃度は、下部電極層１１のものと同一である。上部電極層１３の厚さは、例えば７μｍである。
【００５４】
図６Ｂに示すように、上部電極層１３の上に、レジスト膜４０を形成する。レジスト膜４０に、ｙ方向に長い開口４０Ａを形成する。開口４０Ａの幅は、例えば３００ｎｍである。開口４０Ａが形成されたレジスト膜４０をエッチングマスクとして、上部電極層１３に深さ３００ｎｍの凹部４５を形成する。凹部４５の形成には、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングが適用される。凹部４５を形成した後、レジスト膜４０を除去する。
【００５５】
図６Ｃに示すように、上部電極層１３の上にレジスト膜４６を形成する。レジスト膜４６に開口４６Ａを形成する。開口４６Ａは、図６Ｂの段階で形成されていた凹部４５を、ｘ軸の正の向きに３００ｎｍだけ広げた領域に整合する。開口４６Ａが形成されたレジスト膜４６をエッチングマスクとして、上部電極層１３をエッチングする。エッチングの深さは３００ｎｍとする。このエッチングにより、図６Ｂの段階で形成されていた凹部４５が深くなるとともに、ｘ軸の正の向きに広がる。その後、レジスト膜４６を除去する。
【００５６】
凹部４５を深くするとともに、ｘ軸の正の向きに広げる手順を、凹部４５の幅が６μｍになるまで繰り返す。
【００５７】
図６Ｄに、凹部４５の幅が６μｍになったときの断面図を示す。凹部４５のｘ軸の正の側に階段状の側面が形成される。この側面の、１段の高さ及び奥行きは、共に３００ｎｍになる。ただし、実際には、踏み面（テラス）と蹴上げ（ステップ）との境界線が明確に現れるわけではなく、波打った斜面になる。
【００５８】
検知対象の赤外線の波長が約１０μｍであるとき、ＧａＡｓの上部電極層１３内において、その波長は約３μｍになる。凹部４５の側面の１段の高さ及び奥行きは、赤外線の波長に比べて十分短い。このため、凹部４５のｘ軸の正の側の側面に入射する赤外線には、幾何光学の反射の法則が適用される。凹部４５のｘ軸の正の側の側面は、図１に示した第１の反射面２６として機能する。凹部４５の形成と同時に、図１の第２の反射面２７として機能する側面を持った他の凹部が形成される。
【００５９】
図６Ｅに示すように、上部電極層１３の上面の一部を、レジスト膜４８で覆う。レジスト膜４８は、図１に示した第１の領域２１、第２の領域２２、及び中間領域２３に対応する領域を覆う。
【００６０】
図６Ｆに示すように、レジスト膜４８をエッチングマスクとして、上部電極層１３及び量子井戸層１２をエッチングする。このエッチングには、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングが適用される。エッチングされた領域の底面に、下部電極層１１が露出する。エッチング後、レジスト膜４８を除去する。
【００６１】
図６Ｇに示すように、露出した下部電極層１１の上面の一部に、下部電極１５を形成すると共に、上部電極層１３の平坦面（図１の中間領域）の一部に上部電極１６を形成する。下部電極１５及び上部電極１６は、ＡｕＧｅ層とＡｕ層との２層を含み、それぞれ下部電極層１１及び上部電極層１３にオーミック接触する。下部電極１５及び上部電極１６の形成には、例えば金属蒸着法が適用される。
【００６２】
図６Ｈに示すように、上部電極層１３の上に、反射膜５０を形成する。反射膜５０は、図１に示した第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３の全域を覆う。反射膜５０は、例えばＴｉ層とＡｕ層との２層を含む。反射膜５０の形成には、例えば金属蒸着法が適用される。反射膜５０は、上部電極１６を覆うように形成してもよいし、上部電極１６と重ならないように形成してもよい。
【００６３】
上記実施例１では、赤外線の検知素子を例に挙げたが、実施例１による赤外線検知素子は、赤外線以外の光、例えば可視光等の検知素子にも応用可能である。検知対象の光の波長は、例えば、図４Ａに示した基底準位と高次準位とのエネルギ差によって決まる。
【００６４】
［実施例２］
図７に、実施例２による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図を示す。実施例２による赤外線撮像素子の各画素５５は、図１に示した実施例１による赤外線検知素子と同一の構造を有し、第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３を含む。
【００６５】
実施例１では、例えば図２Ａに示したように、中間領域２３の中間反射面２８より外側に、下部電極層１１が露出していたが、実施例２では、相互に隣り合う２つの画素の中間反射面２８が、微小間隙を隔てて相互に対向する。これにより、２つの画素が、立方体の底面と側面とを展開した展開図とほぼ等しい十字の平面形状を構成する。この十字の平面形状が、２次元面内に、密に配置されている。
【００６６】
実施例２においては、図１に示した下部電極層１１が、複数の画素で共有される。量子ドット層１２及び上部電極層１３は、画素ごとに電気的に分離されている。
【００６７】
実施例２においては、各画素５５が実施例１の光検知素子と同様の構造を有するため、画素ごとの赤外線の検知効率が高い。これにより、赤外線撮像素子の感度を高めることができる。
【００６８】
［実施例３］
図８Ａに、実施例３による赤外線検知素子の平面図を示す。実施例３による赤外線検知素子においては、第１領域２１及び第２領域２３の平面形状が、直角二等辺三角形であり、両者の斜辺同士が対向するように配置されている。第１領域２１と第２領域２２との斜辺の間に、両者を接続する中間領域２３が配置されている。中間領域２３の平面形状は、第１領域２１及び第２領域２２の斜辺を１つの辺として共有する多角形、例えば長方形である。第１領域２１及び第２領域２２の直角を挟む２つの辺は、それぞれｘ方向（基板の［１−１０］方向）及びｙ方向（基板の［１１０］方向）に平行である。
【００６９】
第１領域２１及び第２領域２２の、直角を挟む２つの辺の長さは、例えば６μｍであり、第１領域２１と第２領域２２との間隔は、例えば２μｍである。
【００７０】
図８Ｂに、図８Ａの一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図を示す。実施例３による赤外線検知素子の積層構造は、図１に示した実施例１の半導体基板１０から上部電極層１３までの積層構造と同一である。各層の材料及び厚さも、実施例１の場合と同一である。第１領域２１及び第２領域２２の上面は、中間領域２３から遠ざかるに従って低くなるように傾斜している。その傾斜角は４５°である。
【００７１】
中間領域２３の上面の一部に上部電極１６（図８Ａ）が配置されており、下部電極層１１の上面の一部に下部電極１５（図８Ｂ）が配置されている。上部電極層１３の上面には、反射膜５０が形成されている。実施例１の場合と同様に、第１領域２１の斜面が第１反射面２６として作用し、第２領域２２の斜面が第２反射面２７として作用する。
【００７２】
半導体基板１０の第１領域２１に、その底面から、ｙ方向に直線偏光した赤外線が入射した場合の素子内の赤外線の伝搬について説明する。ｘ軸をｙ軸の正の向きに４５°回転させた方向をｕ軸の正の向きとし、ｙ軸をｘ軸の負の向きに４５°回転させた方向をｖ軸の正の向きと定義する。
【００７３】
半導体基板１０に垂直入射した赤外線は、量子ドット層１２を通過し、第１反射面２６でｕ軸の正の向き（基板の［１００］方向）に反射される。その後、中間領域２３の上部電極層１３を通過し、第２反射面２７でｚ軸の負の向きに反射される。第２反射面２７で反射された赤外線は、量子ドット層１２に再入射する。実施例３では、第１反射面２６及び第２反射面２７の２つの反射面が、再入射構造物としての機能を有する。
【００７４】
ｙ方向の電界をｕ軸方向の成分（ｕ成分）とｖ軸方向の成分（ｖ成分）とに分解する。ここでは、ｕ成分とｖ成分とを、その位相関係まで考慮する必要があるため、第１領域２１の半導体基板１０に入射する赤外線のｕ成分及びｖ成分を、共に正とする。分解されたｕ成分及びｖ成分を図８Ｂに示す。
【００７５】
第１反射面２６で反射すると、正のｕ成分及び正のｖ成分は、それぞれ負のｚ成分及び負のｖ成分に変換される。第２反射面２７で反射すると、負のｚ成分及び負のｖ成分は、それぞれ負のｕ成分及び正のｖ成分に変換される。負のｕ成分及び正のｖ成分を合成すると、ｘ軸に平行な成分となる。すなわち、ｙ軸に平行に直線偏光した赤外線は、第１反射面２６及び第２反射面２７で反射することにより、ｘ軸に平行に直線偏光した赤外線となって量子ドット層１２に再入射する。
【００７６】
図８Ｃに示すように、ｘ軸に平行に直線偏光して第１領域２１の量子ドット層１２を通過した赤外線は、ｙ軸に平行に直線偏光した赤外線となって、第２領域２２の量子ドット層１２に再入射する。このように、第１領域２１の量子ドット層１２を通過した赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分は、それぞれ偏光方向が９０°回転して、ｙ偏光成分及びｘ偏光成分に変換され、第２領域２２の量子ドット層１２に入射する。
【００７７】
同様に、第２領域２２の量子ドット層１２を通過した赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分は、それぞれ偏光方向が９０°回転して、ｙ偏光成分及びｘ偏光成分に変換され、第１領域２１の量子ドット層１２に再入射する。
【００７８】
中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向の変化は、実施例１の光検知素子の中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向の変化と同一である。
【００７９】
量子ドット層１２を、検知対象の波長の赤外線が通過するとき、ｘ方向の偏光成分の吸収確率とｙ方向の偏光成分の吸収確率とが異なる。例えば、ｘ方向の偏光成分の吸収確率がＰであり、ｙ方向の偏光成分の吸収確率が０である。実施例３においては、実施例１と同様に、ｙ方向の偏光成分をｘ方向の変更成分に変換して、量子ドット層１２で吸収することができる。このため、実施例３による赤外線検知素子おいても、実施例１と同様に、検知効率を高めることができる。
【００８０】
実施例３において、中間領域２３は、実施例１の中間反射面２８としての機能を持たない。上部電極１６を形成するために、中間領域２３が確保されている。上部電極１６を第１領域２１または第２領域２２に配置すれば、中間領域２３を確保する必要はない。すなわち、第１領域２１に第２領域２２を直接接触させてもよい。
【００８１】
また、第１領域２１及び第２領域２２の平面形状は、必ずしも直角二等辺三角形である必要はない。例えば、ｕ軸またはｖ軸に平行な辺を持つ長方形としてもよい。
【００８２】
［実施例４］
図９に、実施例４による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図を示す。実施例４による赤外線撮像素子の各画素５５は、図８Ａ〜図８Ｃに示した実施例３による赤外線検知素子と同一の構造を有し、第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３を含む。複数の画素５５は、ｘ方向及びｙ方向を、行方向及び列方向とする行列状に配置されている。実施例４による赤外線撮像素子の下部電極層１１（図８Ｂの下部電極層１１に相当）は、複数の画素５５で共有される。
【００８３】
行方向及び列方向に隣り合う画素５５は、相互に９０°回転させた姿勢で配置されている。すなわち、相互に隣り合う画素５５の中間領域２３の長手方向（第１領域２１及び第２領域２２の斜辺の延在する方向）は、直交する。
【００８４】
赤外線撮像素子の表面には、中間領域２３を尾根とし、第１領域２１及び第２領域２２の直角の頂点の部分を窪みとする起伏が形成される。行方向及び列方向に隣り合う画素５５は、相互に９０°回転させた姿勢で配置されているため、この起伏の尾根の部分と窪みの部分とが、近接しない。このため、起伏の急峻な側壁が露出することを防止することができる。なお、画素５５の境界には、画素５５を電気的に分離するための溝が形成される。この溝は、第１領域２１及び第２領域２２の直角の頂点よりも深い。この溝の両側の側壁の高さは等しい。
【００８５】
実施例４においては、各画素５５が実施例３の光検知素子と同様の構造を有するため、画素５５ごとの赤外線の検知効率が高い。このため、赤外線撮像素子の感度を高めることができる。
【００８６】
上記実施例１〜実施例４では、量子ドット層１２に入射する赤外線の偏光方向を９０°回転させて、量子ドット層１２に再入射させる場合を示したが、偏光方向の回転角は、必ずしも９０°である必要はない。第１の方向の偏光成分の吸収確率と、第２の方向の偏光成分の吸収確率とが異なるような量子ドット層１２を用いた場合、再入射構造物が、第１の方向の成分を第２の方向の偏光成分に変換して量子ドット層１２に再入射させることにより、検知効率を高めることができる。
【００８７】
一例として、図４Ｂにおいて、波長λｘ、偏光方向ｙの赤外線の吸収確率が０ではなくＱである場合について説明する。
【００８８】
図５Ａにおいて、入射領域が第１領域２１、偏光方向がｘの赤外線の第２領域における吸収確率は、０ではなくＱ（１−Ｐ）になる。また、入射領域が第１領域２１、偏光方向がｙの赤外線の第１領域における吸収確率は、０ではなくＱになり、第２領域における吸収確率はＰ（１−Ｑ）になる。このとき、第１領域２１に入射した赤外線の吸収光量Ｐｅ１は、Ｐ＋Ｑ−ＰＱになる。
【００８９】
図５Ｂにおいて、入射領域が第１領域２１、偏光方向がｙの赤外線の吸収確率は、０ではなく、Ｑ＋Ｑ（１−Ｑ）になる。このとき、第１領域２１に入射した赤外線の吸収光量Ｐｒ１は、Ｐ＋Ｑ−（Ｐ２＋Ｑ２）／２になる。
【００９０】
Ｐｅ１−Ｐｒ１は、（Ｐ−Ｑ）２／２となる。吸収確率ＰとＱとが等しくない場合、（Ｐ−Ｑ）２／２＞０であるため、常にＰｅ１＞Ｐｒ１が成立する。すなわち、実施例１（図５Ａに対応）による光検知素子の吸収光量が、比較例（図５Ｂに対応）による光検知素子の吸収光量よりも高いことがわかる。
【００９１】
特に、実施例１及び実施例３で説明したように、第１の方向（ｘ方向）及び第２の方向（ｙ方向）の一方の偏光成分の吸収確率が０であり、第１の方向と第２の方向とが直角の関係である場合に、検知効率を高める効果が顕著である。
【００９２】
上記実施例では、量子ドット層１２内の量子ドット１２ＤをＩｎＡｓで形成し、障壁層１２ＢをＡｌＧａＡｓで形成したが、その他の化合物半導体を用いてもよい。例えば、量子ドット１２Ｄ及び障壁層１２Ｂに、ＧａＡｓ、またはＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、からなる混晶を用いてもよい。この場合、量子ドット１２Ｄの伝導帯に、電子の基底準位と、少なくと１つの高次準位が存在するように、量子ドット１２Ｄと障壁層１２Ｂとの材料を組み合わせることが好ましい。
【００９３】
また、下部電極層１１及び上部電極層１３に、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、またはこれらの混晶を用いてもよい。この場合、検知対象の光の波長域において透明な材料を用いることが好ましい。
【００９４】
上記実施例１〜実施例４では、量子ドット層１２を最初に通過する領域（例えば第１領域２１）と、再入射する領域（例えば第２領域２２）とが、異なる位置に配置されていたが、両者が重なるような構成にしてもよい。
【００９５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００９６】
以上の実施例１〜実施例４を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００９７】
（付記１）
基板の上に配置され、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層の上に配置され、前記量子ドット層を通過した光を反射して前記量子ドット層に再入射させると共に、第１の方向の偏光成分を、前記第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して前記量子ドット層に再入射させる再入射構造物と
を有する光検知素子。
【００９８】
（付記２）
第１の波長の、前記第１の方向の偏光成分が前記量子ドット層を通過するときの吸収確率と、前記第１の波長の、前記第２の方向の偏光成分が前記量子ドット層を通過するときの吸収確率とが異なる付記１に記載の光検知素子。
【００９９】
（付記３）
前記再入射構造物は、前記量子ドット層の第１の領域を厚さ方向に通過した光を、前記量子ドット層の、前記第１の領域とは異なる第２の領域に再入射させ、再入射する光の進行方向は、前記第１の領域を厚さ方向に通過する光の進行方向と反平行である付記１または２に記載の光検知素子。
【０１００】
（付記４）
前記再入射構造物は、
前記量子ドット層の前記第１領域を、前記基板側から上方に通過した光を、前記基板の表面に平行な方向に反射する第１の反射面と、
前記第１の反射面で反射した光を、前記第２領域に向けて反射する中間反射面と、
前記中間反射面で反射して前記第２領域に導入された光を、前記基板の厚さ方向に反射し、前記量子ドット層に再入射させる第２の反射面と
を含む付記３に記載の光検知素子。
【０１０１】
（付記５）
前記中間反射面による光の偏向角は９０°である付記４に記載の光検知素子。
【０１０２】
（付記６）
前記基板は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００１）基板であり、
前記第１の反射面は、前記量子ドット層を通過した光を、前記基板の［１−１０］方向に反射し、前記第中間反射面は、前記第１の反射面で反射した光を、前記基板の［１１０］方向に反射する付記４または５に記載の光検知素子。
【０１０３】
（付記７）
前記再入射構造物は、
前記量子ドット層の第１領域を、前記基板側から上方に通過した光を、前記基板の表面に平行であって前記第１の方向に対して斜めの方向に反射する第１の反射面と、
前記第１領域とは異なる第２領域に配置され、前記第１の反射面で反射された光を、前記基板の厚さ方向に反射して、前記量子ドット層に再入射させる第２の反射面と
を含む付記３に記載の光検知素子。
【０１０４】
（付記８）
前記基板は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００１）基板であり、
前記第１の反射面は、前記量子ドット層を通過した光を、前記基板の［１００］方向に反射する付記７に記載の光検知素子。
【０１０５】
（付記９）
さらに、
前記量子ドット層に厚さ方向の電界を印加する電極を有する付記１乃至８のいずれか１項に記載の光検知素子。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  半導体基板
１１  下部電極層
１２  量子ドット層
１２Ｂ  障壁層
１２Ｄ  量子ドット
１３  上部電極層
１５  下部電極
１６  上部電極
１７  電源
１８  電流計
２１  第１領域
２２  第２領域
２３  中間領域
２６  上面（第１の反射面）
２７  上面（第２の反射面）
２８  側面（中間反射面）
２９  上面（第３の反射面）
３０、３１  赤外線
４０  レジスト膜
４０Ａ  開口
４５  凹部
４６  レジスト膜
４６Ａ  開口
４８  レジスト膜
５０  反射膜
５５  画素
【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６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図６−４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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