(57)【要約】【課題】暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れた赤外線検出器を提供する。【解決手段】複数の赤外線検出画素１００Ａ、１００Ｂは、量子ドット層４２Ａ、４２Ｂに含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方としての量子ドットの大きさが、Ｘ軸およびＹ軸の少なくとも一方としてのＸ軸方向に沿って漸次異なっていることにより、検出波長がＸ軸方向に沿って漸次異なっている。量子ドット層４２Ａ、４２Ｂに含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方を漸次異ならせるために、エッチング工程や、熱アニール工程を経ることがない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上にＸ軸およびＹ軸に沿ってアレイ状に形成され、前記半導体基板側から入射される赤外線をそれぞれ検出する複数の赤外線検出画素とを有し、
前記複数の赤外線検出画素はそれぞれ、
半導体から成る中間層と、アレイ状に配された複数の量子ドットを含み、前記中間層中に形成された少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有すると共に、
前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位である第１の電子準位と励起準位である第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出器であって、
前記複数の赤外線検出画素は、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の少なくとも一方の軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位と前記第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっていることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記複数の赤外線検出画素は、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が、前記軸方向に沿って線形に漸次異なっている請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記中間層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓから成り、前記量子ドット層は、ＩｎＡｓから成る請求項１または２に記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記複数の赤外線検出画素の各前記光吸収層は、半導体から成り、前記中間層中の前記量子ドット層上に形成されたキャップ層をさらに有し、
前記ｘ軸方向に沿って、前記第２の電子準位のエネルギーが、前記第１の電子準位のエネルギーの変化とは異符号で変化していることにより、
前記複数の赤外線検出画素は、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっていることにより、当該赤外線検出画素が検出する前記第１の電子準位と前記第２の電子準位とのエネルギー差が、前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記複数の赤外線検出画素は、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が前記軸方向に沿って漸次異なっていることに加え、前記キャップ層の材料組成が、前記軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっている請求項４に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
前記キャップ層は、ＩｎＧａＡｓから成る請求項５に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の赤外線検出器と、入射する赤外線の波長に応じて分波する分光装置とを備え、
前記複数の赤外線検出画素それぞれの検出波長と、前記分光装置によって分波されて各前記赤外線検出画素に入射される波長とが等しいことを特徴とする波長スペクトル測定装置。
【請求項８】
前記複数の赤外線検出画素は、前記分光装置の逆線分散に応じて、検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項７に記載の波長スペクトル測定装置。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の赤外線検出器の製造方法であって、
前記量子ドット層の形成工程にて、当該量子ドット層を形成すべき前記中間層の表面に対する前記量子ドット層の原料の供給方向の相対角度を設定し、前記中間層の前記表面に対する前記量子ドット層の原料の供給レートを前記軸方向に沿って漸次異ならせることにより、各前記赤外線検出画素の前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方を、前記軸方向に沿って漸次異ならせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ状に形成され、それぞれ異なる波長の赤外線を検出する複数の赤外線検出画素を有する赤外線検出器に関し、特に、赤外線検出画素として、半導体量子ドットを含む量子ドット型赤外線検出素子（Quantum Dot Infrared Photodetector、以下、「ＱＤＩＰ」とも称する）を光吸収層内に有する赤外線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、室温付近から１０００℃程度にわたる広範囲の熱検知や、二酸化炭素や大気汚染物質の濃度測定などを目的として、赤外線検出器に対する需要が高まっている。赤外線検出器の材料や構造の候補は複数あり、その１つが光吸収層に半導体量子ドットを含む、ＱＤＩＰである。
【０００３】
ＱＤＩＰは、量子ドットの周囲が、量子ドットを構成する材料よりも大きなバンドギャップをもつ半導体で３次元的に囲まれた構造を有する。また、量子ドットの領域に電子および正孔が強く閉じ込められている。その結果、量子ドット中に離散的なエネルギー準位が形成される。それらの準位のうち、伝導帯の複数の電子サブバンド準位を利用し、サブバンド間エネルギー差に相当する検出波長をもつ赤外線を検知することができる。
【０００４】
前述したように、ＱＤＩＰは離散的なサブバンド間遷移を利用するため、赤外線検出帯域は原理的に狭帯域となる。また、電子および正孔が量子ドットに強く閉じ込められているため、暗電流を抑制でき、高い信号対雑音比が期待できる。
【０００５】
ＱＤＩＰは、単体の素子としてではなく、複数の素子を１次元あるいは２次元的に配列させたアレイ検出器を構成して赤外線画像を取得する、さらに、アレイ検出器に分光器を組み合わせることによって赤外線スペクトルを取得する、といった利用法もある。
【０００６】
特に、後者の場合には、センサアレイの位置により検出する波長が変化している。分光器でカバーする全ての波長帯域に感度を持つ広帯域な赤外線センサをアレイ化する場合もあるが、分光器や光学系を含む分光装置等からの迷光を考慮すると、分光された波長のみを検出する、狭帯域動作のＱＤＩＰが望ましい場合もある。このとき、分光される光の波長に応じてセンサアレイの検出波長も変化しなければならない。
【０００７】
尚、本明細書において、検出波長等のパラメータが「変化している」とは、当該パラメータが「アレイ位置に応じて漸次異なっている」ことを意味するものとする。つまり、当該パラメータが「時間の経過に伴って変動する」という意味ではない。
【０００８】
このような検出波長が変化しているセンサアレイを実現する従来技術として、特許文献１の図６には、異なる高さを有する量子ドットを複数備えたセンサアレイが開示されている。特許文献１に開示された技術においては、量子ドットの高さが変化していることにより、電子または正孔のエネルギー準位が変化し、結果として検出波長が変化しているセンサアレイを実現している。
【０００９】
別の従来技術として、特許文献２には、量子ドットとそれを覆う中間層を熱アニールによってミキシングさせてエネルギー準位を変化させることにより、検出波長を変化させる手法が開示されている。特許文献２に開示された技術においては、熱アニールの温度を基板の位置によって変え、ミキシング度合いが異なることでエネルギー準位の変化量も異なり、その結果、センサアレイの位置により検出波長を変化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２１０４７４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１０９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、特許文献１に開示された技術では、量子井戸構造を成膜した後のエッチングにより量子ドット構造を形成している。このようにエッチング工程で形成される量子ドットは、エッチング断面が物理的あるいは化学的な損傷を受けており、それが暗電流の増加や検出感度の低下の原因となる。その結果、赤外線検出器としての性能が劣化するという問題がある。
【００１２】
一方、特許文献２に開示された技術では、熱アニールにより量子ドットと中間層をミキシングさせているが、これは検出波長の変化に伴って量子ドットの閉じ込めポテンシャルが浅くなり、暗電流の増大という副作用も生む。よって、暗電流の増大を最小限に留める観点から検出波長の変化量を大きくすることは難しい。
【００１３】
それ故、本発明の課題は、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れた赤外線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板上にＸ軸およびＹ軸に沿ってアレイ状に形成され、前記半導体基板側から入射される赤外線をそれぞれ検出する複数の赤外線検出画素とを有し、前記複数の赤外線検出画素はそれぞれ、半導体から成る中間層と、アレイ状に配された複数の量子ドットを含み、前記中間層中に形成された少なくとも一層の量子ドット層とを含む光吸収層を有すると共に、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位である第１の電子準位と励起準位である第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出器であって、前記複数の赤外線検出画素は、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の少なくとも一方の軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位と前記第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっていることを特徴とする赤外線検出器が得られる。
【００１５】
前記複数の赤外線検出画素は、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が、前記軸方向に沿って線形に漸次異なっていてもよい。
【００１６】
前記中間層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓから成り、前記量子ドット層は、ＩｎＡｓから成っていてもよい。
【００１７】
前記複数の赤外線検出画素の各前記光吸収層は、半導体から成り、前記中間層中の前記量子ドット層上に形成されたキャップ層をさらに有し、前記ｘ軸方向に沿って、前記第２の電子準位のエネルギーが、前記第１の電子準位のエネルギーの変化とは異符号で変化していることにより、前記複数の赤外線検出画素は、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっていることにより、当該赤外線検出画素が検出する前記第１の電子準位と前記第２の電子準位とのエネルギー差が、前記軸方向に沿って漸次異なっていてもよい。この場合、前記複数の赤外線検出画素は、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が前記軸方向に沿って漸次異なっていることに加え、前記キャップ層の材料組成が、前記軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっていてもよい。
【００１８】
前記キャップ層は、ＩｎＧａＡｓから成っていてもよい。
【００１９】
また、本発明によれば、前記赤外線検出器と、入射する赤外線の波長に応じて分波する分光装置とを備え、前記複数の赤外線検出画素それぞれの検出波長と、前記分光装置によって分波されて各前記赤外線検出画素に入射される波長とが等しいことを特徴とする波長スペクトル測定装置が得られる。この場合、前記複数の赤外線検出画素は、前記分光装置の逆線分散に応じて、検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっていてもよい。
【００２０】
さらに、本発明によれば、前記赤外線検出器の製造方法であって、前記量子ドット層の形成工程にて、当該量子ドット層を形成すべき前記中間層の表面に対する前記量子ドット層の原料の供給方向の相対角度を設定し、前記中間層の前記表面に対する前記量子ドット層の原料の供給レートを前記軸方向に沿って漸次異ならせることにより、各前記赤外線検出画素の前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方を、前記軸方向に沿って漸次異ならせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明による赤外線検出器は、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１による赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１による赤外線検出器の構造を示す上面および拡大断面図である。
【図３】本発明の実施例１による赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１〜３による赤外線検出器の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の実施例２による赤外線検出器の構造を示す上面および拡大断面図である。
【図６】本発明の実施例２による赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図７】本発明の実施例３による赤外線検出器の構造を示す上面および拡大断面図である。
【図８】本発明の実施例３による赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図９】本発明の実施例４による赤外線検出器を有する波長スペクトル測定装置の概略を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４に含まれる波長スペクトル測定装置の動作を説明する図である。
【図１１】本発明の実施例４に含まれる分光装置の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明による赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板上にＸ軸およびＹ軸に沿ってアレイ状に形成され、半導体基板側から入射される赤外線をそれぞれ検出する複数の赤外線検出画素とを有している。
【００２４】
前記複数の赤外線検出画素はそれぞれ、光吸収層を有している。光吸収層は、半導体から成る中間層と、アレイ状に配された複数の量子ドットを含み、前記中間層中に形成された少なくとも一層の量子ドット層とを少なくとも有している。
【００２５】
さらに複数の赤外線検出画素はそれぞれ、量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位である第１の電子準位と励起準位である第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する。
【００２６】
特に、本発明において、複数の赤外線検出画素は、量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方が、Ｘ軸およびＹ軸の少なくとも一方の軸方向に沿って漸次異なっている。これにより、第１の電子準位と第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長が軸方向に沿って漸次異なっている。
【００２７】
本発明において、量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさおよび材料組成の少なくとも一方を軸方向に沿って漸次異ならせるために、エッチング工程や、熱アニール工程を経ることがない。したがって、本発明による赤外線検出器は、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れている。
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００２９】
［構成］
図１は、本発明の実施例による赤外線検出器２００の構造を説明する断面図である。
【００３０】
図１に示されるように、赤外線検出器２００は、取得したい赤外線画像の１画素に相当する赤外線検出画素１００が平面上に並んだ構造である（図１は断面であるため１次元にしか見えない点に注意）。赤外線検出器２００は、半導体基板１、緩衝層２、下部コンタクト層３、光吸収層４、上部コンタクト層５、保護膜６、下部電極７、上部電極８などを備えている。
【００３１】
具体的には、半導体基板１の上に緩衝層２が形成されている。緩衝層２は、半導体基板１と同じ半導体材料から構成されている。また、緩衝層２の上に下部コンタクト層３が形成されている。下部コンタクト層３は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。尚、下部コンタクト層３は、半導体基板１上に、緩衝層２を介さず直接形成されていてもよい。また、下部コンタクト層の上に光吸収層４及び下部電極７が形成されている。さらに、光吸収層４の上に上部コンタクト層５が形成されている。上部コンタクト層５は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。半導体基板１がｎ型である場合には、この上に直接、下部電極７が形成されても構わない。
【００３２】
光吸収層４と上部コンタクト層５は、エッチングプロセス等によりその一部が取り除かれており、光吸収層４の側壁部分と上部コンタクト層５の一部が保護膜６で覆われ、上部コンタクト層５の大部分が上部電極８で覆われている。この光吸収層４、上部コンタクト層５、保護膜６、上部電極８とで構成される赤外線検出画素１００が平面に並んでいる。
【００３３】
上部電極８と下部電極７との間に適切な電圧を印加した条件下で、半導体基板１の下側から赤外線Ｘが入射されると、光吸収層４がその構造に応じた波長の赤外線を吸収し、その結果、上部電極８と下部電極７との間に光電流が流れる。図１には示されていないが、上部電極８上には導電性のバンプが形成され、その上に読み出し回路を貼り合わせることにより、多数の赤外線検出画素１００からの光電流を一括して読み出すことができる。
【００３４】
入射赤外線Ｘの検出効率を高めるため、半導体基板１の下側に反射防止膜を形成する、あるいは半導体基板１での吸収を避けるため研磨によって薄膜化する、といった工夫をしてもよい。
【００３５】
光吸収層４は、量子ドット層４２と、中間層４１とを備えている。具体的には、下部コンタクト層３上に、中間層４１、量子ドット層４２の順に、各層が繰り返し形成されている。このような積層を１０回以上繰り返すことにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率を大きくすることができる。尚、図１では略して３回の繰り返し積層が示されている。
【００３６】
図２は、実施例１による赤外線検出器２００の構造を示す上面および拡大断面図である。半導体基板１の上に赤外線検出画素１００が平面上に並んでいると共に、下部電極７が形成されている。紙面の都合上、８×８個の検出画素しか示していないが、これに制限されずもっと多くても構わない。また、実際には円形状の基板のままではなく必要な部分のみを切り出して検出器として使われるが、半導体基板１上に形成されていることを分かり易くするために図２のように示している。
【００３７】
本実施例の特徴は、量子ドット層４２に含まれる量子ドットの大きさが少なくとも１つの軸（本例では、ｘ軸）方向に沿ってほぼ線形に変化していることである。図２にはその変化の様子を分かり易く説明するため赤外線検出画素１００Ａ、１００Ｂの拡大断面図も併せて示している。図２に示されるように、赤外線検出画素１００Ａの量子ドット層４２Ａに含まれる量子ドットと、赤外線検出画素１００Ｂの量子ドット層４２Ｂに含まれる量子ドットとの大きさを比較すると、後者が前者よりも大きい。その結果、赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂで検出できる赤外線波長は異なる。これらの赤外線検出器画素の間にある画素が検出できる赤外線波長は、赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂの間の波長になる。
【００３８】
［動作］
次に、図３を利用して赤外線検出器２００の動作を説明する。
【００３９】
図３は、実施例１による赤外線検出器２００の動作を説明するものであり、図２に示す赤外線検出画素１００Ａおよび１００Ｂの伝導帯の電子エネルギーバンド図が示されている。図３における左右方向が図１および図２の下上方向に相当、つまり図３を反時計回りに９０度回転させると図１および２の方向と一致する。尚、厳密には量子ドットの電子エネルギーバンドは３次元構造であるが、近似として１次元で表している。
【００４０】
量子ドット層４２Ａまたは４２Ｂによる量子閉じ込めにより、電子の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。これら基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２のサブバンド間遷移エネルギー差（図中では矢印の長さ）に相当する赤外線を吸収し検知することができる。
【００４１】
前述したごとく、赤外線検出画素１００Ａの量子ドット層４２Ａに含まれる量子ドットと、赤外線検出画素１００Ｂの量子ドット層４２Ｂに含まれる量子ドットの大きさを比較すると、後者の方が前者よりも大きい。これは、後者の方が電子の閉じ込めポテンシャルの幅が広くなることに相当する。その結果、赤外線検出画素１００Ａと比較して赤外線検出画素１００Ｂの基底準位ＥＬ１と準位ＥＬ２のエネルギーが下がると共に、それらの差が小さくなる（後者の方が矢印が短くなる）。波長はエネルギー差の逆数であるから、赤外線検出画素１００Ａよりも赤外線検出画素１００Ｂの方が検出波長は長波長化する。
【００４２】
赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂの間に多数の検出画素があるが、量子ドット層４２に含まれる量子ドットの大きさがｘ軸方向に沿って、ほぼ線形に変化していることから、検出波長は赤外線検出画素１００Ａから赤外線検出画素１００Ｂまでほぼ線形に変化している。
【００４３】
このようにして、平面上に赤外線検出画素が並んだ赤外線検出器において、量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさが少なくとも１つの軸方向に変化していることにより、この軸方向に検出波長が変化した赤外線検出器を提供できる。
【００４４】
［製造方法］
次に、本発明の実施例１による赤外線検出器２００の製造方法を説明する。
【００４５】
［１：量子ドットを含む結晶成長プロセス］
図４は、本発明の実施例１による赤外線検出器の製造方法を説明する図であり、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置の概略を示すものである。図４では、本発明に特徴的な製造方法を説明するために必要な部分のみを記している。
【００４６】
半導体基板１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意し、この基板をＭＢＥ装置の真空チャンバ３００内の基板ホルダ３０１に装着する。基板ホルダ３０１は、ヒータを介して半導体基板１を高温にすることができると共に、原料供給源の位置に拠らず原料が基板上で均一な厚さになるように、半導体基板１を回転方向ｒ３０１に回転させる回転機構が付与されている。第１の原料供給源３０２からはＩｎが、第２の原料供給源３０３からはＧａが、第３の原料供給源３０４からはＡｓが、それぞれ供給される。以下、特に記載の無い場合には基板回転を行う。
【００４７】
半導体基板１の自然酸化膜の除去処理を行った後、５８０℃程度に基板の温度を設定し、厚さ５００ｎｍで、緩衝層２を積層する。緩衝層２は、半導体基板１と同じＧａＡｓから構成される。
【００４８】
次に、厚さ５００ｎｍで、ｎ型の下部コンタクト層３を積層する。下部コンタクト層３は、Ｓｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。
【００４９】
次に、厚さ５０ｎｍ程度で、ｉ型の第１の中間層４１を積層する。この中間層４１はＧａＡｓから構成される。
【００５０】
その後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、基板回転を停止した後に、即ち、原料が基板上で不均一な厚さになる状態で、厚さが２〜３原子層程度となるように、第１の原料供給源３０２からはＩｎを、第３の原料供給源３０４からはＡｓを供給する。
【００５１】
このとき、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次元的に成長する。この成長モードはＳＫ（Stranski-Krastanov）モードと呼ばれ、この様式に従って量子ドットが形成される。その結果、量子ドットが高密度に平面状に並んだ量子ドット層４２が形成される。量子ドットの典型的な直径は２０〜３０ｎｍ、高さ５ｎｍであり、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０１０程度である。
【００５２】
上で示した材料供給源の配置の場合、図４の右側が左側よりもＩｎの供給レートが高くなるため、結果として、右側が左側よりもＩｎＡｓ量子ドットの大きさが大きくなる。図２に示す大きさの異なる量子ドット４２Ｂと４２Ａは、このようにして形成される。
【００５３】
量子ドット層４２の形成時に、必要に応じてＳｉ原子を量子ドットと同程度の数密度でドープする。これは、基底準位ＥＬ１に予め電子が１つドープされた状態にするためである。
【００５４】
次に、基板回転を開始し、基板温度を再び上昇させ、ＧａＡｓから構成される中間層４１を積層する。
【００５５】
上記の手順にしたがって、中間層４１、量子ドット層４２の積層を１０回以上繰り返す。これにより、光吸収層４を形成することができる。
【００５６】
最後に、厚さが２００ｎｍでｎ型の上部コンタクト層５を積層する。ｎ型の上部コンタクト層５は、Ｓｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。
【００５７】
尚、ＩｎＡｓから構成される量子ドット層４２は、ＩｎＧａＡｓであってもよい。また、中間層４１はＡｌＧａＡｓであってもよい。ただし、Ａｌ組成比が大きくなると結晶品質が低下するため、Ａｌ組成比は３０％以下が望ましい。
【００５８】
上記製造方法において、量子ドット層４２を含む光吸収層４やそれらの周辺構造をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではない。たとえば、これらの構造を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００５９】
［２：検出器構造加工および電極プロセス］
続いて、紫外線リソグラフィー、ドライエッチングまたはウエットエッチング技術を利用して上部コンタクト層５、光吸収層４および下部コンタクト層３の一部をエッチングする。これにより、下部コンタクト層３の表面の一部が露出する。
【００６０】
このエッチングにより、分離された構造が赤外線検出画素１００の１つになる。赤外線検出画素１００の受光面の１辺の大きさは、用途によって異なるが、典型的には２０μｍから１００μｍ程度である。
【００６１】
次いで、ＳｉＮｘ（窒化シリコン）から構成される保護膜６を化学気相成長（ＣＶＤ）装置などを利用して成膜する。これにより、赤外線検出画素１００の１つ１つの側壁に加え、上部コンタクト層５と下部コンタクト層３も保護膜６で覆われる。上部コンタクト層５と下部コンタクト層３へ電極を形成するため、まず保護膜６の一部をエッチングに取り除く。その後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるアロイオーミック電極を形成し、上部電極７及び下部電極６とする。上部電極７及び下部電極６は、それぞれリフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含んでいる。
【００６２】
以上の工程により、実施例１による赤外線検出器２００の基本構成が完成する。
【実施例２】
【００６３】
図５は、本発明の実施例２による赤外線検出器２０１の構造を説明する上面および拡大断面図である。
【００６４】
図５に示されるように、実施例２の実施例１との違いは、量子ドット層４２に含まれる量子ドットの材料組成がｘ軸方向に沿って、ほぼ線形に変化している点である。即ち、量子ドット層４２Ａと４２Ｃでは材料組成が異なる。それ以外は同じであるため、構成の詳細な説明は省略する。
【００６５】
次に、図６を利用して赤外線検出器２０１の動作を説明する。
【００６６】
図６は、実施例２による赤外線検出器２０１の動作を説明するものであり、図６に示す赤外線検出画素１００Ａおよび１００Ｃの伝導帯の電子エネルギーバンド図が示されている。図６を反時計回りに９０度回転させると図５の方向と一致する。
【００６７】
実施例１と同様に、量子ドット層４２Ａまたは４２Ｃによる量子閉じ込めにより、電子の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。
【００６８】
赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｃの量子ドット層４２Ａと量子ドット層４２Ｃに含まれる量子ドットの大きさは同じであるが材料組成が異なる。これを図６では、量子ドット層４２Ａよりも量子ドット層４２Ｃの伝導帯底のエネルギーが小さい、として表現している。つまり、後者の方が電子の閉じ込めポテンシャルが深くことに相当する。その結果、赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｃの基底準位ＥＬ１と準位ＥＬ２のエネルギーが下がると共に、それらの差が小さくなる（後者の方が矢印が短くなる）。よって、赤外線検出画素１００Ａよりも１００Ｃの方が検出波長は長波長化する。
【００６９】
本実施例の特徴は、量子ドット層４２の材料組成が少なくとも１つの軸（本例では、ｘ軸）方向に沿ってほぼ線形に変化していることである。赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｃの間に多数の検出画素があるが、各量子ドット層４２の材料組成がｘ軸方向に沿って、ほぼ線形に変化していていることから、検出波長は赤外線検出画素１００Ａから赤外線検出画素１００Ｃまでほぼ線形に変化している。
【００７０】
次いで、製造方法については、実施例１とは異なる量子ドット層４２の積層方法のみを説明する。実施例２では、量子ドット層４２はＩｎＧａＡｓによって構成される。
【００７１】
図４において、第１の原料供給源３０２からはＩｎが、第４の原料供給源３０５からはＧａが、第３の原料供給源３０４からはＡｓがそれぞれ供給される。
【００７２】
基板回転を停止して量子ドット層４２を積層するが、ＩｎとＧａは基板に対して浅い角度で材料が供給されるため、Ｉｎは右側が左側よりも多く、Ｇａは左側が右側よりも多く供給されることになる。この結果、ＩｎＧａＡｓから構成される量子ドット層４２において、左側から右側にいくにしたがってＩｎ組成比率が大きくなる。ＩｎＧａＡｓはＩｎ組成比率が高いほど伝導帯底のエネルギーが小さくなる。これが、図５および図６に示す量子ドット層４２の材料組成がｘ軸方向に変化した構造の作製方法である。
【００７３】
このようにして、平面上に赤外線検出画素が並んだ赤外線検出器において、量子ドット層の材料組成が少なくとも１つの軸方向に変化していることにより、この軸方向に検出波長が変化した赤外線検出器を提供できる。
【００７４】
尚、ここで示した量子ドット層の材料組成は一例に過ぎず、材料の供給源の配置で実現される組合せであればよい。
【実施例３】
【００７５】
図７は、本発明の実施例３による赤外線検出器２０３の構造を説明する上面および拡大断面図である。
【００７６】
図７に示されるように、実施例３の実施例１および２との違いは、量子ドット層４２の直上に中間層４１とは材料組成の異なるキャップ層４４が形成されている点である。さらに詳細には、量子ドット層４２に含まれる量子ドットの大きさがｘ軸方向に沿って、ほぼ線形に変化しているのに加えて、キャップ層４４の材料組成もほぼ線形に変化している。即ち、量子ドット層４２Ｆと４２Ｇではそれらに含まれる量子ドットの大きさが異なり、キャップ層４４Ｆとキャップ層４４Ｇでは材料組成が異なる。それ以外は既に説明した構造と同じであるため、構成の詳細な説明は省略する。
【００７７】
次に、図８を利用して赤外線検出器２０３の動作を説明する。
【００７８】
図８は、実施例３による赤外線検出器２０３の動作を説明するものであり、図７に示す赤外線検出画素１００Ｆおよび１００Ｇの伝導帯の電子エネルギーバンド図が示されている。図８を反時計回りに９０度回転させると図７の方向と一致する。
【００７９】
実施例１および２と同様に、量子ドット層４２Ｆ（または量子ドット層４２Ｇ）とキャップ層４４Ｆ（またはキャップ層４４Ｇ）から構成される量子閉じ込めにより、電子の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。
【００８０】
まず、赤外線検出画素１００Ｆと１００Ｇの量子ドット層４２Ａと量子ドット層４２Ｄでは後者の方が量子ドットの大きさが小さい。これは、後者の方が電子の閉じ込めポテンシャルの幅が狭くなることに相当する。このとき、図３を利用した実施例１の動作説明で述べた通り、赤外線検出画素１００Ｆと比較して１００Ｇの基底準位ＥＬ１のエネルギーが上がる。
【００８１】
さらに、キャップ層４４Ｆとキャップ層４４Ｇを比較すると、材料組成の違いを反映して伝導帯底のエネルギーは後者の方が前者よりも低い。その結果、赤外線検出画素１００Ｆと比較して１００Ｇの励起準位ＥＬ２のエネルギーが下がる。この理由は、図６を利用した実施例１の動作説明で述べた通りである。
【００８２】
したがって、ＥＬ２とＥＬ１のエネルギー差は赤外線検出画素１００Ｆと比較して１００Ｇは小さくなる（後者の方が矢印が短くなる）。その結果、赤外線検出画素１００Ｆよりも１００Ｇの方が検出波長は長波長化する。
【００８３】
このとき、量子ドット層４２に含まれる量子ドットの大きさおよびキャップ層の材料組成の変化により生じる、ＥＬ１とＥＬ２の図７のｘ軸方向での変化が異符号であることにより、実施例１および２と比較して、実施例３の方がより広い範囲で赤外線検出波長を変化させることが可能となる。
【００８４】
赤外線検出画素１００Ｆと１００Ｇの間に多数の検出画素があるが、量子ドット層４２に含まれる量子ドットの大きさおよびキャップ層４４の材料組成がｘ軸方向に沿って、ほぼ線形に変化していることから、検出波長は赤外線検出画素１００Ｆから１００Ｇまでほぼ線形に変化している。
【００８５】
次いで、製造方法については、量子ドット層４２とキャップ層４４の積層方法のみを説明する。キャップ層４４はＩｎＧａＡｓから構成される。
【００８６】
図４において、第１の原料供給源３０２からはＩｎが、第４の原料供給源３０５からはＧａが、第３の原料供給源３０４からはＡｓがそれぞれ供給される。
【００８７】
基板回転を停止してＩｎＡｓ量子ドット層４２を積層するが、Ｉｎの供給量は右側が左側よりも多く、実施例１で説明したように、右側の方が左側よりも量子ドットが大きくなる（図２に対応）。その後、基板を１８０度回転させると左右が入れ替わり、左側の方が右側よりも量子ドットが大きくなる（図７に対応）。
【００８８】
次に、基板の温度を上昇させてＩｎＧａＡｓから構成されるキャップ層４４を積層する。ＩｎとＧａは基板に対して浅い角度で材料が供給されるため、Ｉｎは右側が左側よりも多く、Ａｓは左側が右側よりも多く供給されることになる。この結果、ＩｎＧａＡｓから構成されるキャップ層４４において、左側から右側にいくにしたがってＩｎ組成比率が大きくなる。ＩｎＧａＡｓはＩｎ組成比率が高いほど伝導帯底のエネルギーが小さくなる。これが、図７および図８に示す構造の作製方法である。
【００８９】
このようにして、平面上に赤外線検出画素が並んだ赤外線検出器において、量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさと、その直上に形成されるキャップ層の材料組成が、少なくとも１つの軸方向に同時に変化していることにより、この軸方向に検出波長が変化した赤外線検出器を提供できる。このとき、前述の軸方向での励起準位ＥＬ２と基底準位ＥＬ１の変化が異符号であれば、実施例１および２よりも、より広い範囲で検出波長を変化させることができる。
【実施例４】
【００９０】
図９は、本発明の実施例４による赤外線検出器を有する波長スペクトル測定装置の概略を示す図である。
【００９１】
実施例１で示した赤外線検出器２００と分光装置４００から構成される。分光装置４００に大きい矢印で示される赤外線Ｘが入射すると、分光装置により入射波長に応じて分波される。図８ではその典型例として、ｘ方向に赤外線ＸＡとＸＢに分波されたものが示されている。ＸＡとＸＢの波長は赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂの検出波長にそれぞれ一致するよう、分光装置は設計されている。
【００９２】
続いて図１０は、波長スペクトル測定装置の動作を説明する図である。（ａ）はスペクトルを計測したい２次元領域５００であり、そのうちｘ方向に一部のみが切り出された１次元領域５０１が集光レンズなどを介して分光装置４００が入射される。（ｂ）は赤外線検出器２００の上面図を表しており、分光装置４００により入射波長に応じてｘ方向へ分波される。
【００９３】
したがって、赤外線検出器２００上の各赤外線検出画素１００に射影されるのは、ｙ方向には１次元領域５０１の空間分布がそのまま、ｘ方向には波長成分が分解されたものある。１次元領域５０１を撮影したい２次元領域全体にわたりスキャンすることで、２次元領域のスペクトル計測が可能となる。このとき、赤外線検出器２００はｙ方向にのみ検出波長が変化しており、ｘ方向には検出波長は変化していない。
【００９４】
図１１は、図９の分光装置４００の動作を説明する図であり、分光装置の中に備えられている、入射波長ごとに光路を変える回折格子４１０の動作を説明する図である。回折格子には単位長さあたりＮ本の溝が刻まれている。入射赤外線４１２が回折格子の法線４１１に対して角度αで入射すると、法線に対して角度βの方向に回折される。αとβは図中法線の右側にある場合を正とする。赤外線の波長をλで１次の回折だとすると、以下の数式１が満たされる。
【００９５】
【数１】
2014169891.tif 000003
【００９６】
ここで、入射角αが一定だとして数式１の両辺をλで微分することで、以下の数式２が得られる。
【００９７】
【数２】
2014169891.tif 000004
【００９８】
数式２は、単位波長あたり回折角βがどれだけ変化しているかを表す式である。回折格子の逆線分散Ｄ＝ｄλ／ｄｘ、つまり単位長さあたりの波長分解能は、分光装置の焦点距離ｆを用いてｄｘ＝ｆ・ｄβと表されることと数式２を利用して、以下の数式３が得られる。
【００９９】
【数３】
2014169891.tif 000005
【０１００】
例えば、回折格子の刻線数Ｎ＝５０（／ｍｍ）、ｆ＝１３０ｍｍの分光装置を利用する。α＝−７．１度の方向から波長が７．５μｍの赤外線が入射すると、β＝３０度の方向に回折される。このとき、７．５μｍ付近での逆線分散Ｄ＝０．１３３μｍ／ｍｍである。よって、前述のβ＝３０度の位置にｘ方向に大きさ１５ｍｍの赤外線検出器があれば、７．５μｍを中心として幅２μｍ、つまり６．５μｍから８．５μｍの範囲で波長分波される（計算式０．１３３×１５＝２．００μｍより）。
【０１０１】
ｘ方向の大きさ１５ｍｍであるから、１画素の１辺の大きさが３０μｍ（＝０．０３ｍｍ）の場合はｘ方向の画素数１５／０．０３＝５００とすればよい。
【０１０２】
ここで逆線分散はｘ方向で一定でないことに注意しなければならない。上記の例では、波長６．５μｍおよび８．５μｍではそれぞれＤ＝０．１３７、０．１２９ｎｍ／ｍｍである。したがって、赤外線検出器２００のｘ方向への波長変化はこの逆線分散Ｄに応じた値であることがより好ましい。
【０１０３】
上記のように逆線分散の変化に応じてｘ方向への波長変化していることが最も好ましいが、第１近似として線形に波長変化をしてもよい。その理由は以下の通りである。前述の例ではＤの変化は６％程度（０．１３７と０．１２９の差）であるのに対して、典型的な波長検出幅Δλ／λは１０％程度（スペクトルの半値全幅Δλ、中心波長λ）である。よってＤの変化分は検出波長帯域の広がりΔλ／λの範囲内に収まるからである。
【０１０４】
分光装置は、理想的には入射赤外線を波長に応じての特定の方向にのみ回折するが、実際にはこの法則に従わない成分、即ち迷光成分が存在する。これは、装置内部での乱反射等、不完全性に基づくもので完全に除去することは不可能である。本実施例では各画素は回折波長に応じた赤外線しか検出しないため、ノイズ要因である回折波長から外れた迷光成分は検出しない。一方、従来例の多くで広い波長帯域をもつ赤外線検出器が利用され、回折波長から外れた迷光成分も検知する。
【０１０５】
このようにして、赤外線検出画素が平面上に並び、その検出波長が少なくとも１つの軸方向に変化した赤外線検出器と、分光装置を組み合わせることにより、ノイズを低減した波長スペクトル測定装置を提供できる。
【０１０６】
尚、本発明は上記実施例に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。
【符号の説明】
【０１０８】
１  半導体基板
２  緩衝層
３  下部コンタクト層
４  光吸収層
４１  中間層
４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｆ、４２Ｇ  量子ドット層
４４Ｆ、４４Ｇ  キャップ層
５  上部コンタクト層
６  保護膜
７  下部電極
８  上部電極
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｆ、１００Ｇ  赤外線検出画素
２００、２０１、２０３  赤外線検出器
３００  真空チャンバ
３０１  基板ホルダ
３０２  第１の原料供給源
３０３  第２の原料供給源
３０４  第３の原料供給源
３０５  第４の原料供給源
４００  分光装置
４１０  回折格子
４１１  法線
４１２  入射赤外線
４１３  回折赤外線
５００  ２次元領域
５０１  １次元領域
【図１】
2014169891.tif 000006
【図２】
2014169891.tif 000007
【図３】
2014169891.tif 000008
【図４】
2014169891.tif 000009
【図５】
2014169891.tif 000010
【図６】
2014169891.tif 000011
【図７】
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【図８】
2014169891.tif 000013
【図９】
2014169891.tif 000014
【図１０】
2014169891.tif 000015
【図１１】
2014169891.tif 000016