(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップが大きく、前記第１の半導体層との界面のうち前記第１の半導体層側に二次元電子ガスのチャネルが形成され、障壁層となる第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成され、前記第２の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップが小さい第３の半導体層と、
前記第３の半導体層の上で不純物がドープされて形成され、前記第１の半導体層及び第３の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップが小さい量子ドットと、
前記第３の半導体層及び前記量子ドットの上に形成され、前記第３の半導体層と同じ材料から形成された第４の半導体層と、
前記第４の半導体層の上方に形成され、赤外線が照射されない状態で前記第３の半導体層、前記第４の半導体層及び前記量子ドットのエネルギーポテンシャルを下げ、フェルミエネルギーに対する前記チャネルのエネルギーを高くする正電圧が光検知時に印加される第１の電極と、
前記第１の電極の両側方のそれぞれで前記第１の半導体層の上に形成され、直流電圧が印加される第２の電極及び第３の電極と、
を有する光検知半導体装置。
【請求項２】
前記不純物は、１つの前記量子ドットについて１つの原子の割合で供給されていることを特徴とする請求項１に記載の光検知半導体装置。
【請求項３】
前記量子ドットは前記第２電極と第３の電極の間の領域に沿って複数個形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検知半導体装置。
【請求項４】
前記第１の電極は前記第４の半導体層の上方で間隔をおいて複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光検知半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検知半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体から自発的に放射される電磁波の強度は赤外線帯域で強いことから、赤外線は物体の像を認識する電磁波として利用される。物体から放射される赤外線の光量は、主にその物体の温度が高いほど多くなる。
【０００３】
赤外線を放射する物体として例えば人体が挙げられるが、室温より高い温度をもつ人体から放射される赤外線の光量は、室温と同程度の温度をもつ周辺環境から放射される赤外線の光量よりも多くなる。
【０００４】
従って、光量により応答出力が変わる赤外線検知装置を用いることにより、人体を像として画面に表示することが可能になる。
【０００５】
赤外線検知装置として、ＭＯＳ構造、ＨＥＭＴ構造を持つ画像検知装置が知られている。例えばＭＯＳ構造の画像検知装置においては、半導体基板内の上部の不純物拡散層上にソース電極とドレイン電極が形成され、それらの電極の間の不純物拡散層の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成された構造を有している。さらに、ゲート絶縁膜の中に量子ドットが形成され、また、ゲート電極は半導体層から形成されている。
【０００６】
その画像検知装置によれば、ゲート電極への正電圧の印加により量子ドットの量子準位とチャネル領域のフェルミ準位が揃うので、不純物拡散層のチャネル内の電子がゲート絶縁膜を量子力学的にすり抜けて量子ドット内に移動する。
【０００７】
量子ドットに閉じこめられた電子は、クーロンポテンシャルによりチャネル中の電子を遠ざけ、チャネルを流れる電流を減少させる。その後に、ゲート絶縁膜に赤外線を照射すると量子ドット中の電子が光励起して離れ、これにより、複数の量子ドット中の電子が減少し、チャンネル中の電流が増加する。そのような電流の増加を観察することにより赤外線照射が検知され、チャネル中の電流は光量を増やすに従い、ほぼ同じ割合で増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２１０６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の画像検知装置により人体の像を検知する場合には、人体とその周辺環境が検知対象となる。その周辺環境に人体が存在しない状況では、画像検知装置により周辺環境だけが検知されることになる。この場合、画像検知装置では、周辺環境の温度、例えば室温と同程度の温度に応じた光量に応答する電流が流れる。
【００１０】
その周辺環境に人体が入ると、人体から光を入射する画素では、室温より高い人体の体温に応じた赤外線光量に対応する電流が流れる。そこで、周辺環境と人体のそれぞれの温度に応じた電流値の差分を取ることで人体の像を選択して検知することが可能となる。
【００１１】
しかし、周辺環境検知時の画像検知装置における応答電流は、人体を検知対象物とする上では余剰なものであり、これにより検知効率は低下する。
【００１２】
一般的に、画像検知装置では応答電流のダイナミックレンジが制限され、人体検知時の応答電流が丁度ダイナミックレンジに収まるように調整される。しかし、周辺環境の応答電流を排除して、人体を検知するための応答電流のみを検知し、画像検知時のダイナミックレンジを人体検知だけで占めるのが最も理想的である。
【００１３】
従って、光検知半導体装置では、検知対象以外の環境に由来する応答電流を低減させることが要求される。
【００１４】
本発明の目的は、検知対象の応答電流を選択的に大きくすることができる光検知半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本実施形態の１つの観点によれば、第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップが大きく、前記第１の半導体層との界面のうち前記第１の半導体層側に二次元電子ガスのチャネルが形成され、障壁層となる第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上に形成され、前記第２の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップが小さい第３の半導体層と、前記第３の半導体層の上で不純物がドープされて形成され、前記第１の半導体層及び第３の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップが小さい量子ドットと、前記第３の半導体層及び前記量子ドットの上に形成され、前記第３の半導体層と同じ材料から形成された第４の半導体層と、前記第４の半導体層の上方に形成され、赤外線が照射されない状態で前記第３の半導体層、前記第４の半導体層及び前記量子ドットのエネルギーポテンシャルを下げ、フェルミエネルギーに対する前記チャネルのエネルギーを高くする正電圧が光検知時に印加される第１の電極と、前記第１の電極の両側方のそれぞれで前記第１の半導体層の上に形成され、直流電圧が印加される第２の電極及び第３の電極と、を有する光検知半導体装置が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解されるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、量子ドットに不純物をドープし、量子ドット中の電子を光照射により励起して量子準位から離脱させ、これによりチャネルのフェルミエネルギーを低下させ、閾値以上の光量でチャネルに電流が流れるようにしている。また、閾値以下の光量で、チャネルに流れる電流が極めて小さくなるようにしている。これにより、ある光量を越える光を放出する検出対象の受光に対する応答電流のみでダイナミックレンジを占めるようにすることができ、検知効率の高い装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施形態に係る光検知半導体装置の製造工程における化合物半導体層の積層工程の一例を示す断面図である。
【図２】図２は、実施形態に係る光検知半導体装置の製造工程における化合物半導体層のパターニング工程の一例を示す断面図である。
【図３】図３は、実施形態に係る光検知半導体装置の一例を示す断面図である。
【図４】図４（a）、（ｂ）は、実施形態に係る光検知半導体装置におけるエネルギーバンド構造の変化の一例を示す図である。
【図５】図５は、実施形態に係る光検知半導体装置の光量と応答電流の関係の一例を示す特性図である。
【図６】図６は、比較例に係る光検知半導体装置を示す断面図である。
【図７】図７は、比較例に係る光検知半導体装置におけるエネルギーバンド構造を示す図である。
【図８】図８は、比較例に係る光検知半導体装置の光量と応答電流の関係の一例を示す特性図ある。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
【００１９】
図１は、実施形態に係る光検知半導体装置を形成する化合物半導体層の積層工程の一例を示す断面図である。化合物半導体層の形成方法として分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を採用するが、ＭＯＣＶＤ法、その他の形成方法を採用してもよい。
【００２０】
まず、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板１の上に、第１のｉ型ＧａＡｓ層２を例えば６００℃の基板温度で例えば約１０００ｎｍの厚さに形成する。ｉ型は、ノンドープで形成される層を示している。
【００２１】
続いて、第１のｉ型ＧａＡｓ層２の上に、ｎ型アルミニウムガリウム砒素（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ）層３を例えば約６００℃の基板温度で例えば約５０ｎｍの厚さに形成する。この場合、組成比ｘを例えば０．２とする。ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）を使用し、その不純物濃度を例えば約５×１０１６／ｃｍ３とする。
【００２２】
ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層３のエネルギーバンドギャップは、第１のｉ型ＧａＡｓ層２のエネルギーバンドギャップよりも広く、障壁層となり、それらの界面のｉ型ＧａＡｓ層２側にはチャネルが形成され、チャネルには二次元電子ガス２ＤＥＧが生成される。これにより、第２のｉ型ＧａＡｓ層２はチャネル層となる。
【００２３】
さらに、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層３の上に、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層３よりもエネルギーバンドギャップの狭い第２のｉ型ＧａＡｓ層４を例えば約５０ｎｍの厚さに形成する。第２のｉ型ＧａＡｓ層４の形成開始から形成終了に至る過程で、基板温度を６００℃から降下させる。基板温度降下の目標温度は、第２のｉ型ＧａＡｓ層４上で量子ドットの自己組成形成が起こり得る温度、例えば約５００℃に設定される。
【００２４】
次に、基板温度を約５００℃に維持したままで、第２のｉ型ＧａＡｓ層４の上に、自己組織化形成法により、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）を０．１原子層／秒（ＭＬ／ｓ）の成長速度で２．５ＭＬ供給する。ＩｎＡｓの供給過程で、ＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長して量子ドット５が形成される。量子ドット５は、チャネル領域を有する第１のｉ型ＧａＡｓ層２に比べてエネルギーバンドギャップが狭い材料から形成される。ＩｎＡｓを供給する際に、同時に、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）をＩｎＡｓに供給する。Ｓｉの供給量は、１つの量子ドット５につき約１原子となし、１つの量子ドット５に概ね１個の電子を供給できるように制御される。
【００２５】
続いて、第２のｉ型ＧａＡｓ層４及びＩｎＡｓ量子ドット５の上に、第３のｉ型ＧａＡｓ層６を例えば約５０ｎｍの厚さに形成する。第３のｉ型ＧａＡｓ層６の形成開始から形成終了に至る過程で、基板温度を５００℃から例えば約６００℃に上昇させる。
【００２６】
次に、第３のｉ型ＧａＡｓ層６の上に、第４のｉ型ＧａＡｓ層７を約６００℃の温度で例えば約５００ｎｍの厚さに形成する。
【００２７】
次に、図２に示すように、第４のｉ型ＧａＡｓ層７の上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２１を形成した後に、フォトリソグラフィー技術とエッチングを使用してシリコン酸化膜２１をパターニングすることにより、間隔をおいてソース領域とドレイン領域に例えば１０μｍの間隔で２つの開口部２１ａ、２１ｂを形成する。
【００２８】
その後に、シリコン酸化膜２１をマスクに使用し、例えば、塩素系ガスを使用するドライエッチングにより開口部２１ａ、２１ｂを通して第４のｉ型ＧａＡｓ層７から第１のｉ型ＧａＡｓ層２までをエッチングする。これにより、開口部２１ａ、２１ｂから第１のｉ型ＧａＡｓ層２を露出させる。露出した第１のｉ型ＧａＡｓ層２の２つの領域の間はチャネル領域となる。その後に、シリコン酸化膜２１を例えばフッ酸を使用してエッチングして除去する。
【００２９】
次に、図３に例示するように、露出した２つの領域の第１のｉ型ＧａＡｓ層２の上にソース電極８とドレイン電極９を形成するとともに、それらの間の領域に残された第４のｉ型ＧａＡｓ層７の上にゲート電極１０を形成する。ソース電極８、ドレイン電極９及びゲート電極１０として、例えばスパッタ法、蒸着法等により金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）膜と金（Ａｕ）膜の積層金属、或いはその他の金属を形成する。
【００３０】
その後に、例えば４００〜４５０℃の温度で加熱する。これにより、ソース電極８とドレイン電極９のそれぞれと第２のＧａＡｓ層２の接合部分は合金化される。同様に、ゲート電極１０と第４のｉ型ＧａＡｓ層７の接合部分も合金化される。
【００３１】
ソース電極８とドレイン電極９の間隔の長さ、即ちチャネル長を例えば約１０μｍと大きく設定しているので、チャネル領域上の量子ドット５の数は１より遙かに多く、例えば約１０００個〜１００００個に形成される。
【００３２】
以上により光検知半導体装置の基本構造が形成される。光検知半導体装置は、図３に例示するように、ソース電極８とドレイン電極９に直流電源１１を接続するとともに、直流電源１１とソース電極８の間、又は、直流電源１１とドレイン電極９の間に電流検出器１２を直列に接続する。また、ゲート電極１０にスイッチ回路１４を介してゲート電圧供給電源１３を接続する。なお、直流電源１１、ゲート電圧供給電源１３、スイッチ回路１４は、ＣＭＯＳを含む回路（不図示）に接続されてオン・オフや電圧が制御される。また、電流検出器１２は電流増幅回路（不図示）を有している。
【００３３】
なお、図１〜図３に示す構造は、光検知半導体装置のうちの１画素部分の説明であって、光検知半導体装置は、複数のゲート電極１０等を含み、複数の画素を有している。
【００３４】
上記の光検知装置において、ゲート電極１０に電圧を印加した状態で第１のｉ型ＧａＡｓ層２から第４のＧａＡｓ層７までの層の縦方向断面におけるそれらのエネルギーバンド構造の伝導帯Ｅｃ側のプロファイルは例えば図４（ａ）に示すようになる。量子ドット５には上記のようにｎ型不純物が添加されているので、初期状態で各量子ドット５にはそれぞれ概ね１個の電子ｅが供給される。
【００３５】
これにより、フェルミエネルギーＥｆは量子ドット５の量子準位Ｅｂとほぼ同じ準位に位置する。また、２次元電子ガス２ＤＥＧのチャネルを生成する第１のｉ型ＧａＡｓ層２とｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層３のエネルギーバンドギャップは、量子ドット５のエネルギーバンドギャップよりも大きくなっている。このため、チャネルの量子準位は、初期状態ではフェルミエネルギーＥｆよりも概ね高い状態に位置する。
【００３６】
また、ゲート電極１０にプラス電圧を印加すると、第４のｉ型ＧａＡｓ層７のエネルギーポテンシャルが低下して伝導帯Ｅｃも押し下げられる。このような状態で赤外線が入射されないと、量子ドット５には電子ｅが存在し、チャネルのエネルギーはフェルミエネルギーＥｆよりも高くなっているので、チャネルには殆ど電流が流れない。
【００３７】
さらに、ＧａＡｓ基板１を透過して量子ドット５に赤外線が入射すると、量子ドット５に拘束されていた電子ｅが赤外線のエネルギーを吸収して励起される。これにより、量子ドット５内で光励起された電子ｅは、サブバンド間遷移が生じ、或いは、ゲート電極１０に向けて移動し、量子ドット５から位置的に離れる。
【００３８】
これにより、量子ドット５での空間電荷が正となり、図４（ｂ）に例示するように、量子ドット５近傍で伝導帯Ｅｃ端が押し下げられ、この影響を受けてチャネルのエネルギーも押し下げられ、チャネル内の二次元電子ガス２ＤＥＧの電子ｅが流れる土壌ができる。
【００３９】
しかし、光検知半導体装置に１光子が入ったような状態では、１つの量子ドット５の近傍でそのような作用をするだけであり、ソース電極８とドレイン電極９による電界によりチャネルの全域で電流が流れる状態にはならない。
【００４０】
そこで、光強度を徐々に強くして光量を増やし、ある程度の数の量子ドットで図４（ｂ）に示すような光励起が起こると、ソース電極８とドレイン電極９の間の全領域がチャネルで繋がった状態になり、図５に例示するように光入射の応答として電流が流れ始める。なお、１回の像の検知を行った後には、スイッチ回路１４によって、ゲート電圧供給電源１３からゲート電極１０に印加する電圧を制御して、第４のｉ型ＧａＡｓ層７のエネルギーポテンシャルを高くして伝導帯Ｅｃを押し上げ、各量子ドット５に電子ｅを供給する。
【００４１】
従って、本実施形態の光検知半導体装置を使用して人体の存在位置を検知する場合に、人体の周囲の環境から放出される光量の少ない赤外線については、ソース電極８とドレイン電極９の間に流れる電流は極めて小さい。これに対し、人体から放出される光量の閾値Ｌｔｈ以上の大きな赤外線に対してはソース電極８とドレイン電極９の間に流れる電流を光量に応じて大きくすることができる。従って、人体から出射される赤外線により生じる電流と周辺環境から出射される赤外線により生じる電流の差を求める必要がなく、人体を特定するためのダイナミックレンジを高くすることができ、検出感度を高めることができる。
【００４２】
次に、比較例に係る光検知装置の構造を説明する。図６は、比較例に係る光検知半導体装置を示している。
【００４３】
比較例に係る光検知半導体装置は、半導体基板３１上に、基板側障壁層３２、量子井戸層３３、障壁半導体層３４、ゲート電極３６が順に形成された構造を有している。障壁半導体層３４内には、量子ドット３５が形成されている。さらに、ゲート電極３６の両側方では、障壁半導体層３４から基板側障壁層３２の深さに形成されたオーミック接触合金３７ａ、３７ｂを介して第１、第２のオーミック電極３８、３９が形成されている。
【００４４】
そのような構造を有する光検知半導体装置において、第１のオーミック電極３８と第２のオーミック電極３９に直流電源４０を直列に接続するとともに、直流電源４０と第１のオーミック電極３８の間に電流検出器４１を直列に接続する。また、ゲート電極３６にゲート電圧供給電源４２を接続する。
【００４５】
ゲート電圧供給電源４２からゲート電極３６に正電圧を印加すると、基板側障壁層３２の表面ポテンシャルが下方に押し下げられる。このため、図７に例示するように、量子井戸層３３のフェルミ準位と量子ドット３５の量子準位が揃った時に、チャネルである量子井戸層３３内の電子が量子力学的に障壁半導体層３４をすり抜けて量子ドット３５中に閉じこめられる。
【００４６】
これにより、量子ドット３５に捕らえられた電子ｅのクーロンポテンシャルの斥力により量子井戸層３３内の電子が遠ざけられて、第１、第２のオーミック電極３８間の量子井戸層３３内の電流量が減少する。即ち、初期状態で流れている電流量が、ゲート電極３６への電圧印加により低減する。
【００４７】
その後に、ゲート電極３６が閾値電圧以下になると基板側障壁層３２のポテンシャルは上がるので、外部から光を照射して量子ドット３５の捕獲電子ｅにエネルギーを与えて励起させ、外部に飛び出させると、チャネルである量子井戸層３３内の電流は流れ易くなって電流量が増加する。
【００４８】
なお、ゲート電極３６に閾値以上の電圧を与えると、光照射により量子ドット３５内の電子ｅは外部に飛び出すと同時に量子井戸層３３から量子ドット３５に電子ｅが供給されるので、量子井戸層３３内の電流量は減少したままとなる。
【００４９】
従って、比較例の光検知半導体装置によれば、光量が多くなるに従って量子ドットの捕獲電子ｅが少なくなってくるので、図８に例示するように、光量の多さに従ってほぼ同じ割合で電流量が増加することになる。
【００５０】
このため、複数の量子ドット３５を有する画素の光検知半導体装置により、人体とその周辺環境の双方から放射される赤外線を受光し、人体の像を抽出して検知するためには、人体とその周辺環境のそれぞれの赤外線検知による電流量の差を求め、その差が存在する部分を人体の像として画像表示する。これによれば、周辺環境の電流量の分だけ人体に対するダイナミックレンジが小さくなり、しかも人体を鮮明な像にするためには電流量の差を演算する回路を必要として構造の簡素化に支障をきたす。
【００５１】
これに対し、本実施形態の光検知半導体装置によれば、初期状態で量子ドット５の量子準位に電子ｅが存在し、しかも赤外線が照射されない状態でソース電極８とドレイン電極９の間に電流が殆ど流れないように化合物半導体層の材料を調整している。
このため、閾値Ｌｔｈ以下の光量で赤外線が照射されてもソース電極８とドレイン電極９の間の応答電流が低くなり、周辺環境からの光量に対しては大きな電流が流れない。さらに、閾値Ｌｔｈより大きな光量の増加に対しては応答電流が急峻に増加する構造となる。
【００５２】
これにより、比較例において必要になる人体を抽出するための電流の差の演算が不要になり、しかも、人体の像に対するダイナミックレンジを大きく確保することができ、鮮明な画像表示ができる。なお、本実施形態の光検知半導体装置において、図５の光量と応答電流量の関係に示される閾値Ｌｔｈの調整は、量子ドット５の数、チャネルの長さなどのパラメータの調整により行うことができる。
【００５３】
ところで、上記の実施形態では、量子ドット５の周囲をＧａＡｓ層で形成し、さらに、二次元電子ガス２ＤＥＧの電子走行層としてＧａＡｓ層を形成しているが、他の材料を使用してもよい。例えば、ＧａＡｓ層の代わりにＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ層を形成してもよく、組成比ｙとして上記のエネルギーバンドギャップの大小の関係を保持する値、例えば０．１以下を選択する。また、電子供給層として形成されるｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ層３によりＧａＡｓ層２の伝導帯がベンドれるが、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層３に含まれるｎ型不純物濃度があまり高すぎると、量子ドット５からの電子抜けに対するベンド効果が弱くなるので、上記の濃度が好ましい。
【００５４】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。
【符号の説明】
【００５５】
１  ＧａＡｓ基板
２、４、６、７  ｉ型ＧａＡｓ層
３  ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層
５  量子ドット
８  ソース電極
９  ドレイン電極
１０  ゲート電極
【図１】
0005870721.tif 000002
【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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