(57)【要約】【課題】  １種類の量子ドット構造のみを用いて複数の波長の光を検知する。【解決手段】  量子ドット１３を有する複数の量子ドット層１２を設け、複数の量子ドット層１２と交互に積層され、複数の量子ドット層１２を埋め込む複数の障壁層１４を設ける。そして、第１の一対の電極１６、１７を複数の障壁層１４に対して垂直に設け、第２の一対の電極１８、１９を複数の障壁層１４に対して平行に設ける。このようにすると、第１の一対の電極１６、１７に印加された電界に応じ、光を吸収してキャリアを放出する量子ドット１３の電子エネルギポテンシャルを変更できるので、検知する光の波長を変更できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を検知する光検知器において、
量子ドットを有する複数の量子ドット層と、
前記複数の量子ドット層と交互に積層され、前記複数の量子ドット層を埋め込む複数の障壁層と、
前記複数の障壁層に対して垂直に設けられた第１の一対の電極と、
前記複数の障壁層に対して平行に設けられた第２の一対の電極と、
を有することを特徴とする光検知器。
【請求項２】
前記光は、赤外線であることを特徴とする請求項１記載の光検知器。
【請求項３】
前記第１の一対の電極に印加された電界に応じて検知する光の波長を変更させ、前記第２の一対の電極が前記量子ドットから放出されたキャリアを取り出すことを特徴とする請求項１記載の光検知器。
【請求項４】
前記各量子ドット層及び前記各障壁層を有する量子ドット構造は、１種類であることを特徴とする請求項１記載の光検知器。
【請求項５】
前記障壁層はＧａＡｓで形成され、前記量子ドットはＩｎＡｓ、またはＩｎＧａＡｓで形成されることを特徴とする請求項１記載の光検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を検知する光検知器に関し、特に、量子ドットを用いて複数の光を検知する光検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、入射された光を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器において、垂直入射光を吸収できない量子井戸型光検知器(Quantum Well Infrared Photodetector、ＱＷＩＰ)より、３次元にキャリアを閉じ込めることができる量子ドットを用いて垂直入射光を吸収できる量子ドット型光検知器(Quantum Dot Infrared Photodetector、ＱＤＩＰ)が注目されている。このＱＤＩＰでは、ＱＷＩＰで必要とされた光結合構造が不要であり、形成工程の簡略化が図られている（例えば、非特許文献１、特許文献１、２）。
【０００３】
以下、従来のＱＤＩＰで２種類の波長の光を検知する場合について説明する。図３は、従来のＱＤＩＰ素子の要部断面模式図である。
ＱＤＩＰ素子３０は、図３に例示するように、複数のコンタクト層３１、３３、３５と複数の量子ドット構造３２、３４とを有する。コンタクト層３１、３３、３５は、赤外線を吸収して放出されたキャリアを電流として取り出すエピタキシャル層である。量子ドット構造３２、３４は、それぞれ所定の波長の赤外線を吸収してキャリアを放出する。
【０００４】
ここで、従来のＱＤＩＰ素子３０では、検知する光の数に合わせ、複数の量子ドット構造３２、３４を積層している。例えば、２種類の波長の光に対して感度を持つようにする場合、２種類の量子ドット構造３２、３４を積層している。
【非特許文献１】L Chu，A Zrenner，G Bohm，G Abstreiter、Lateral intersubband photocurrent spectroscopy on InAs/GaAs quantum dots、２０００年２月８日
【特許文献１】特開平１０−３２６９０６号公報
【特許文献２】特開２００３−２１８３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のＱＤＩＰ素子３０では、１種類の量子ドット構造で１種類の波長の光しか検知できない。よって、複数の波長の光を検知するため、異なる複数の量子ドット構造３２、３４を積層するので、ＱＤＩＰ素子３０の製造工程が複雑になっている。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、１種類の量子ドット構造のみを用いて複数の波長の光を検知できる光検知器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】
【０００７】
本発明では、上記課題を解決するために、図１に例示するように、光を検知する光検知器において、量子ドット１３を有する複数の量子ドット層１２と、複数の量子ドット層１２と交互に積層され、複数の量子ドット層１２を埋め込む複数の障壁層１４と、複数の障壁層１４に対して垂直に設けられた第１の一対の電極１６、１７と、複数の障壁層１４に対して平行に設けられた第２の一対の電極１８、１９と、を有する光検知器が提供される。
【０００８】
このような光検知器によると、第１の一対の電極１６、１７に印加された電界に応じ、光を吸収してキャリアを放出する量子ドット１３の電子エネルギポテンシャルを変更できるので、検知する光の波長を変更できる。よって、所定の電界を第１の一対の電極１６、１７に印加することで、所定の波長の光を検知できるようになる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、第１の一対の電極を複数の障壁層に対して垂直に設けるようにする。
このようにすると、第１の一対の電極に印加された電界に応じ、光を吸収してキャリアを放出する量子ドットの電子エネルギポテンシャルを変更できるので、検知する光の波長を変更できる。よって、所定の電界を第１の一対の電極に印加することで、所定の波長の光を検知できるようになる。つまり、１種類の量子ドット構造のみを用いて複数の波長の光を検知できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、光の内の赤外線を例に説明する。図１は、ＱＤＩＰ素子の要部断面模式図である。
光検知器は、複数のＱＤＩＰ素子１０を有している。量子ドット１３は量子ドット層１２の表面に形成され、量子ドット層１２と量子ドット１３とは障壁層１４で埋め込まれている。赤外線の吸収感度を高くするため、これらを１層として複数回積層されている。第１の一対の電極１６、１７が複数の障壁層１４に対して垂直に設けられ、第２の一対の電極１８、１９が複数の障壁層１４に対して平行に設けられ、ＱＤＩＰ素子１０が形成されている。
【００１１】
ＱＤＩＰ素子１０において、電極１６と電極１７との間に印加される電界を変更することで、検知する赤外線の波長を変更でき、複数の波長の赤外線を検知できる。量子ドット１３は、赤外線を吸収してキャリアを放出する。量子ドット１３から放出されたキャリアは、コンタクト層１１を介した電極１８とコンタクト層１５を介した電極１９との間に印加された電界に従い、量子ドット層１２と障壁層１４とを流れる。
【００１２】
ここで、例えば、量子ドット１３の材料には、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｓが用いられ、障壁層１４の材料には、ＧａＡｓが用いられ、電極１６、１７、１８、１９の材料には、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ／Ａｕが用いられる。
【００１３】
次に、ＱＤＩＰ素子１０の形成工程について説明する。
ＱＤＩＰ素子１０の各エピタキシャル層は、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法によって形成され、ＱＤＩＰ素子１０の量子ドット１３は、自己組織化量子ドット形成法によって形成される。
【００１４】
まず、表面が（１００）面であるＧａＡｓ基板（図示せず）を、超高真空チャンバの中に導入する。
次いで、ｎ型不純物のドーピング約１×１０18ｃｍ-3をして厚さ約５０ｎｍのコンタクト層１１を成長させる。次いで、不純物のドーピングをしない厚さ約５０ｎｍのｉ−ＧａＡｓによる障壁層１４を成長させる。次いで、不純物のドーピングをしない厚さ約２ＭＬ〜３ＭＬ（分子層）のＩｎＡｓを、均一に供給する。ここで、初期のＩｎＡｓ供給では、ＩｎＡｓが平坦に２次元的に成長して量子ドット層１２を形成するが、その後のＩｎＡｓ供給では、ＧａＡｓとＩｎＡｓとの格子定数の差異から発生する歪みによってＩｎＡｓが島状に３次元的に成長して量子ドット１３を形成する。この量子ドット１３は、直径約２０ｎｍ〜５０ｎｍ、高さ約５〜７ｎｍであり、約１０10個／ｃｍ2〜１０11個／ｃｍ2存在する。次いで、不純物のドーピングをしない厚さ約５０ｎｍのｉ−ＧａＡｓによる障壁層１４を成長させる。ここで、量子ドット層１２、量子ドット１３及び障壁層１４を、１０回〜２０回繰り返し、最後の障壁層１４を成長させる。次いで、ｎ型不純物のドーピング約１×１０18ｃｍ-3をして厚さ約５０ｎｍのコンタクト層１５を成長させる。
【００１５】
次いで、所定の場所において、コンタクト層１５からコンタクト層１１の間を研削し、Ａｕ等による電極１６、１７、１８、１９を形成する。
次に、ＱＤＩＰ素子１０の動作について説明する。
【００１６】
ここで、ＣＭＯＳ回路（図示せず）によって電極１６と電極１７との間に電界が印加されない場合、本来の量子ドット構造によった赤外線の波長が検知される。
まず、ＣＭＯＳ回路により、放出されたキャリアが取り出されるように電極１８と電極１９との間に電界が印加される。次いで、ＱＤＩＰ素子１０の量子ドット１３により、赤外線が吸収され、量子ドット１３内に形成された量子準位に束縛されたキャリアが障壁層の伝導帯の底に励起される。次いで、励起されて放出されたキャリアが、コンタクト層１１とコンタクト層１５との間を、電極１８と電極１９とを介して印加された電界に従って流れる。次いで、ＣＭＯＳ回路により、電流として捕えられ、赤外線が電流として検知される。
【００１７】
また、ＣＭＯＳ回路によって電極１６と電極１７との間に電界が印加される場合、量子閉じ込めシュタルク効果を用いて本来の量子ドット構造と印加された電界とによった赤外線の波長が検知される。
【００１８】
まず、ＣＭＯＳ回路により、放出されたキャリアが取り出されるように電極１８と電極１９との間に電界が印加される。次いで、ＣＭＯＳ回路により、所定の赤外線を検知できるように電極１６と電極１７との間に電界が印加される。次いで、ＱＤＩＰ素子１０の量子ドット１３により、赤外線が吸収され、量子ドット１３内に形成された量子準位に束縛されたキャリアが障壁層の伝導帯の底に励起される。次いで、励起されて放出されたキャリアが、コンタクト層１１とコンタクト層１５との間を、電極１８と電極１９とを介して印加された電界に従って流れる。次いで、ＣＭＯＳ回路により、電流として捕えられ、赤外線が電流として検知される。
【００１９】
次に、第１の一対の電極１６、１７に電界を印加した場合、量子ドットの量子準位の変化について説明する。図２は、量子準位の変化の例を示す図である。
まず、図２（Ａ）に例示するように、量子ドット１３が赤外線を吸収してキャリアを放出するために必要な電子エネルギポテンシャルは、障壁層１４の伝導帯の底から、電子が束縛されている量子ドット１３内の量子準位の差となる。
【００２０】
その後、第１の一対の電極１６、１７に電界を印加した場合、図２（Ｂ）に例示するように、量子閉じ込めシュタルク効果により、キャリアを放出するために必要な電子エネルギポテンシャルは変更される。例えば、電極１６と電極１７との間に１０Ｖの電圧が印加された場合、検知する赤外線の波長は１０μｍから９．３μｍに変更される。この量子ドットの量子準位の変化量は、次のような式で定義される。
ΔＥ＝Ｅ１−Ｅ２＝−０．００２２×ｍ＊×ｅ2Ｆ4Ｌ4／ｈ2
ここで、ΔＥは量子準位の変化量であり、Ｅ１は電界を印加する前の量子準位であり、Ｅ２は電界を印加した後の量子準位である。また、ｍ＊は有効質量であり、ｅは素電荷量であり、Ｆは電界強度であり、Ｌは量子ドットの大きさから定義される定数であり、ｈはプランク定数である。
【００２１】
なお、複数の赤外線を検知する場合、各赤外線に対する検知時間は短くなる。例えば、１種類の量子ドット構造で１種類の波長の赤外線を検知する場合、約３０ｍｓｅｃの時間を必要とする。また、１種類の量子ドット構造で２種類の波長の赤外線を検知する場合、各赤外線において約１５ｍｓｅｃの時間を必要とする。また、１種類の量子ドット構造で３種類の波長の赤外線を検知する場合、各赤外線において約１０ｍｓｅｃの時間を必要とする。
【００２２】
光検知器は、このようなＱＤＩＰ素子１０を１画素とし、例えば１枚のＧａＡｓ基板の上に多くのＱＤＩＰ素子１０が整列配置されて構成される。各ＱＤＩＰ素子１０で、多くの赤外線が吸収されるとその分多くのキャリアが放出されるため、それを利用することにより、光検知器で、対象物の温度に応じた画像が生成される。
【００２３】
このようにすると、第１の一対の電極１６、１７に印加された電界に応じ、赤外線を吸収してキャリアを放出する量子ドット１３の電子エネルギポテンシャルを変更できるので、検知する赤外線の波長を変更できる。よって、所定の電界を第１の一対の電極１６、１７に印加することで、所定の波長の赤外線を検知できるようになる。つまり、１種類の量子ドット構造のみを用いて複数の波長の赤外線を検知できるようになる。
【００２４】
また、１種類の量子ドット構造で複数の波長の赤外線を検知できるので、複数の波長の赤外線を検知する場合でも複数の量子ドット構造を積層しなくてよい。よって、製造工程を簡略化できるようになる。
【００２５】
また、１種類の量子ドット構造をより多く積層するので、赤外線に対する感度を高くすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＱＤＩＰ素子の要部断面模式図である。
【図２】量子準位の変化の例を示す図である。
【図３】従来のＱＤＩＰ素子の要部断面模式図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ＱＤＩＰ素子
１１、１５  コンタクト層
１２  量子ドット層
１３  量子ドット
１４  障壁層
１６、１７、１８、１９  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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