(57)【要約】【課題】多積層化が可能であり、８〜１４μｍ帯で高感度に光を検出可能な量子ドット型赤外線検出器を提供する。【解決手段】量子ドット型赤外線検出器１０は、光電変換層４を備える。光電変換層４は、量子ドット４１１、量子ドット４１１の下地層４１２および量子ドット４１１の一部を少なくとも覆う部分キャップ層４１４とを少なくとも含む量子ドット層４１を積層した量子ドット積層構造を有する。下地層４１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、部分キャップ層４１４は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）である。ｘおよびｙのうち、小さい方をｚとし、量子ドット積層構造の積層方向に垂直な方向の量子ドットのサイズをＲ（ｎｍ）とした場合、ｚは、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たし、積層方向の量子ドット４１１のサイズは、０．５Ｒ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドット、前記量子ドットの下地層および前記量子ドットの一部を少なくとも覆う部分キャップ層とを少なくとも含む量子ドット層を積層した量子ドット積層構造を備え、
前記下地層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、
前記部分キャップ層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）であり、
前記ｘおよびｙのうち、小さい方をｚとし、前記量子ドット積層構造の積層方向に垂直な方向の前記量子ドットのサイズをＲ（ｎｍ）とした場合、前記ｚは、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たし、前記積層方向の前記量子ドットのサイズは、０．５Ｒ以下である、量子ドット型赤外線検出器。
【請求項２】
前記量子ドット層は、不純物ドーピングされている、請求項１に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項３】
前記量子ドット積層構造の光の吸収帯域は、少なくとも８〜１４μｍに存在し、
前記積層方向に垂直な偏光方向における光電流が、前記積層方向の偏光方向における光電流よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項４】
前記量子ドット層は、ｚ≧０．１５×Ｒ−１．１を満たすＲを有する量子ドットを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項５】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、量子ドット型赤外線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出器において、高感度化を目的として、量子ドットを有する赤外線検出器の研究開発が進められている。例えば、特許文献１および非特許文献１に記載されているように、活性層に量子ドットを含む構造において、伝導帯の量子準位を介した遷移を利用することで、中遠赤外領域での高感度化を目的とした量子ドット赤外線検出器が提案されている。
【０００３】
量子ドットを有する赤外線検出器は、既存のボロメータ等の熱型検出器や、バルクＩｎＧａＡｓおよびＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）などを用いた量子型検出器とは異なり、吸収帯域がブロードではなく、シャープな吸収帯域を有することを特徴とする。これは、量子閉じ込め効果により離散化されたエネルギー準位を利用することに起因する。
【０００４】
現在、量子ドット型赤外線検出器では、伝導帯の基底準位から量子井戸層の量子準位、中間層の伝導帯への遷移を用いた光吸収が主流であり、検出帯域は、典型的には８μｍ以下が多い。
【０００５】
一方で、伝導帯の基底準位から第一励起準位（および第二励起準位）への遷移波長は、上記の帯域に比べて長波長領域であり、量子ドットの下地層および部分キャップ層にＧａＡｓを用いたＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドット構造では、典型的には２０〜２５μｍである。しかしながら、赤外線検出器を用いる場合、大気の吸収が少ない８〜１４μｍ（大気の窓）の帯域で光を検出することが望ましい。
【０００６】
そこで、特許文献１および非特許文献１では、量子ドットの下地層および部分キャップ層にＡｌＡｓを用いた量子ドット構造が示されており、量子閉じ込め効果の増大によって伝導帯の基底準位から第一励起準位（および第二励起準位）への遷移波長の短波長化を図り、８〜１４μｍ帯の光検出を実現している。
【０００７】
また、伝導帯の基底準位と、伝導帯第一励起準位および第二励起準位を介した遷移を利用した光吸収の場合、面内方向の偏光吸収が期待できる。これは、Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長により形成される量子ドットの典型的な形状がレンズ形状に近く、量子ドットサイズが積層方向に比べて面内方向が大きいことに起因する。つまり、面内方向のサイズに強く影響を受けた量子準位が、積層方向のサイズに強く影響を受けた量子準位よりも低いエネルギー準位となる。よって、伝導帯の第一励起準位および伝導帯の第二励起準位は、面内方向のサイズに強く影響を受けた量子準位であり、面内方向の偏光により伝導帯の基底準位からの光遷移が起こる。
【０００８】
したがって、光が赤外線検出器に垂直に入射する場合、回折格子の具備、赤外線検出器への斜め入射等は不要となる。さらに、一般的に、基底準位と第一励起準位（および第二励起準位）との間の遷移確率は、他のサブレベル間吸収と比較して大きいため、高感度化が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１６−１３６５８５公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Journal of Applied Physics、１０７巻、０５４５０４、２０１０年．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１および非特許文献１では、量子ドットの下地層および部分キャップ層にＡｌＡｓを用いているが、結晶成長の面では、Ａｌ−Ａｓの結合エネルギーは、Ｇａ−Ａｓの結合エネルギーに比べて強く、Ａｌのマイグレーションが低いことが知られており、ＡｌＡｓ膜の表面平坦性は、ＧａＡｓ膜に比べて荒れやすい。その結果、量子ドット層の積層化においては、転位等の発生に繋がり、暗電流の増大が起こることで量子ドット型赤外線検出器の感度低下を引き起こす要因となる。また、積層数を上げて、検出信号を増大させることができない。すなわち、Ｓ／Ｎの向上が期待できない量子ドット構造である。
【００１２】
そこで、この発明の実施の形態によれば、多積層化が可能であり、８〜１４μｍ帯で高感度に光を検出可能な量子ドット型赤外線検出器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（構成１）
この発明の実施の形態によれば、量子ドット型赤外線検出器は、量子ドット積層構造を備える。量子ドット積層構造は、量子ドット、量子ドットの下地層および量子ドットの一部を少なくとも覆う部分キャップ層とを少なくとも含む量子ドット層を積層したものである。そして、下地層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、部分キャップ層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）である。また、ｘおよびｙのうち、小さい方をｚとし、量子ドット積層構造の積層方向に垂直な方向の量子ドットのサイズをＲ（ｎｍ）とした場合、ｚは、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たし、積層方向の量子ドットのサイズは、０．５Ｒ以下である。
【００１４】
（構成２）
構成１において、量子ドット層は、不純物ドーピングされている。
【００１５】
（構成３）
構成１または構成２において、量子ドット積層構造の光の吸収帯域は、少なくとも８〜１４μｍに存在する。そして、積層方向に垂直な偏光方向における光電流が、積層方向の偏光方向における光電流よりも大きい。
【００１６】
（構成４）
構成１から構成３のいずれかにおいて、量子ドット層は、ｚ≧０．１５×Ｒ−１．１を満たすＲを有する量子ドットを含む。
【００１７】
（構成５）
構成１から構成４のいずれかにおいて、量子ドットは、ＩｎＡｓである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器は、多積層化が可能であり、８〜１４μｍ帯で高感度に光を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器の断面図である。
【図２】図１に示す量子ドット層の別の構成を示す断面図である。
【図３】図１に示す量子ドット型赤外線検出器の製造方法を示す第１の工程図である。
【図４】図１に示す量子ドット型赤外線検出器の製造方法を示す第２の工程図である。
【図５】ｚとＲとの関係を示す図である。
【図６】ｈ＝３ｎｍのときの吸収スペクトルの結果を示す図である。
【図７】ｈ＝４ｎｍのときの吸収スペクトルの結果を示す図である。
【図８】ｈ＝２ｎｍのときの吸収スペクトルの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２１】
この明細書において用いられる語句について説明する。
【００２２】
「量子ドット層」とは、量子ドット、濡れ層、中間層、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層、および挿入層などを含む層である。
【００２３】
「量子ドット」とは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長の場合、濡れ層を形成し、量子ドットの成長に移行する。
【００２４】
「量子ドットの下地層」とは、量子ドットおよび濡れ層を成長する下地となる層である。
【００２５】
「量子ドットの部分キャップ層」とは、量子ドット上に成長する層であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなり、量子ドットの一部を少なくとも覆う層である。以下に示す図１では、部分キャップ層が平坦であるが、量子ドット形状に沿った形状となっても良い。また、図１では、量子ドットの高さ以上の厚みとなっているが、厚みは量子ドットの高さ以下であっても良い。
【００２６】
「中間層」とは、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなる層であり、量子ドット層の母体となる層である。また、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層と同じ半導体材料であっても良い。
【００２７】
図１は、この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器１０は、半導体基板１と、バッファ層２と、ｎ型半導体層３，５と、光電変換層４と、電極６〜８とを備える。
【００２８】
バッファ層２は、半導体基板１の一方の面に接して半導体基板１上に配置される。ｎ型半導体層３は、バッファ層２に接してバッファ層２上に配置される。
【００２９】
光電変換層４は、ｎ型半導体層３に接してｎ型半導体層３上に配置される。ｎ型半導体層５は、光電変換層４に接して光電変換層４上に配置される。
【００３０】
電極６，７は、ｎ型半導体層５に接してｎ型半導体層５上に相互に離間して配置される。電極８は、ｎ型半導体層３に接してｎ型半導体層３上に配置される。
【００３１】
半導体基板１は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓからなる。バッファ層３は、例えば、ＧａＡｓからなる。そして、バッファ層３は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
【００３２】
ｎ型半導体層３，５の各々は、例えば、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる。そして、ｎ型半導体層３，５の各々は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する。
【００３３】
電極６〜８の各々は、ｎ型電極であり、例えば、Ａｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのいずれかからなる。そして、電極６〜８の各々は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
【００３４】
光電変換層４は、複数の量子ドット層４１を積層した積層構造からなる。なお、図１においては、３層の量子ドット層４１を積層した場合を示しているが、量子ドット型赤外線検出器１０においては、２層以上の量子ドット層４１が積層されていればよい。
【００３５】
複数の量子ドット層４１の各々は、量子ドット４１１と、量子ドット４１１の下地層４１２と、量子ドット４１１の濡れ層４１３と、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４と、中間層４１５とを含む。
【００３６】
下地層４１２は、量子ドット４１１の下側に配置される。濡れ層４１３は、下地層４１２に接して下地層４１２上に配置される。部分キャップ層４１４は、量子ドット４１１および濡れ層４１３を覆うように量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。なお、図１においては、部分キャップ層４１４の厚さが量子ドット４１１の厚さよりも大きい場合を示している。中間層４１５は、量子ドット４１１、下地層４１２、濡れ層４１３および部分キャップ層４１４の両側に配置される。
【００３７】
なお、量子ドット層４１は、量子ドット４１１、量子ドットの下地層４１２、濡れ層４１３、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および中間層４１５に加えて挿入層等を含んでいても良い。
【００３８】
一般的には、量子ドット層４１は、量子ドット４１１、量子ドット４１１の下地層４１２および量子ドット４１１の部分キャップ層４１４を少なくとも含んでいればよい。
【００３９】
量子ドット層４１を構成する各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。
【００４０】
量子ドット４１１は、バンドギャップエネルギーが中間層４１５よりも小さい半導体材料からなることが好ましい。
【００４１】
量子ドット層４１を構成する各材料は、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂｘＡｓ１−ｘ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ（これらの材料において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１である。以下、同じ。）であることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。
【００４２】
なお、量子ドット層４１を構成する各材料は、周期律表の第ＩＶ族半導体または第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または、第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であっても良く、これらの混晶材料であっても良い。また、量子ドット層４１を構成する各材料は、カルコパイライト系材料であっても良いし、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。
【００４３】
光電変換層４は、ｉ型半導体層であってもよいし、ｐ型不純物またはｎ型不純物を含む半導体層であってもよい。
【００４４】
この発明の実施の形態においては、光電変換層４は、量子ドット積層構造を有し、量子ドット積層構造は、量子ドット４１１、量子ドット４１１の下地層４１２および量子ドット４１１の部分キャップ層４１４を少なくとも含み、下地層４１２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、部分キャップ層４１４は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）であり、ｘおよびｙのうちの小さい方の数値をｚとし、量子ドット層４１の積層方向に垂直な方向の量子ドット４１１のサイズをＲ（ｎｍ）とした場合、ｚは、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たし、量子ドット層４１の積層方向における量子ドット４１１のサイズが０．５×Ｒ以下であることを特徴とする。
【００４５】
量子ドット４１１の下地層４１２および部分キャップ層４１４にＡｌＧａＡｓを用いることで、量子ドット４１１の量子閉じ込め効果を得つつ、下地層４１２および部分キャップ層４１４の表面平坦性を良くすることができる。これは、ＡｌＧａＡｓは、Ａｌに比べてマイグレーションの高いＧａを含むので、膜の表面平坦性を良くすることができるものであり、量子ドット層４１の多積層化にあたり転位等の発生を抑制した量子ドット型赤外線検出器を作製することができる。
【００４６】
ｘおよびｙのうちの小さい方の数値ｚが、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たす積層方向に垂直な方向のサイズがＲ（ｎｍ）であり、積層方向のサイズが０．５×Ｒ以下である量子ドット４１１を少なくとも含むことによって、量子ドットサイズによる量子閉じ込め効果も増大させることができ、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移により、波長が１４μｍ以下の帯域で光吸収を有することができる。
【００４７】
伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移は、上述した通り、吸収係数が高いため、量子ドット型赤外線検出器１０の高感度化が可能となる。また、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移は、量子ドット層４１の積層方向に垂直な方向の偏光で強く光吸収するため、積層方向に垂直な偏光方向における光電流が、積層方向の偏光方向における光電流よりも大きくなる。伝導帯の第一励起準位および伝導帯の第二励起準位は、面内方向のサイズに強く影響を受ける量子準位であるため、面内方向の偏光で強く光吸収するためである。
【００４８】
量子ドット層４１の積層方向に垂直な偏光方向における光電流、および積層方向の偏光方向における光電流の比較は、たとえば、サンプル基板端面を積層方向に対して４５度となるように研磨し、偏光板を通して基板端面に入射させることで確認することができる。つまり、量子ドット層４１の積層方向に垂直な偏光方向における光電流と積層方向に対して４５度となる偏光方向における光電流を比較し、積層方向に垂直な偏光方向における光電流が、積層方向の偏光方向における光電流より大きくなる場合は、積層方向に対して４５度となる偏光方向における光電流よりも、積層方向に垂直な偏光方向における光電流の方が大きくなる。
【００４９】
一方、量子ドット層４１の積層方向の偏光で強く光吸収する遷移を用いる場合、赤外線検出器で、通常、利用する表面入射では感度が著しく低下する。このため、回折格子を用いた偏光方向の調整、または上述のように基板端面に入射させる構成等とする必要があり、装置の大型化、高コスト化等に繋がる。
【００５０】
ここで、８〜１４μｍの帯域は、大気の窓と呼ばれ、水蒸気、酸素、二酸化炭素などによる吸収がほとんどない帯域であり、赤外線を効率的に検出することができる。以上のことから、この発明の実施の形態における光電変換層４の構造は、量子ドット構造の高品質な多積層化を実現しつつ、量子ドット４１１の下地層４１２および部分キャップ層４１４のワイドギャップ化と、量子ドット４１１のサイズ効果により、量子閉じ込め効果を強めることで伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移波長を８〜１４μｍの帯域にすることが可能となる。
【００５１】
光電変換層４は、不純物ドーピングされていてもよい。これにより、効率的にサブレベル間の遷移を起こすことができる。
【００５２】
光電変換層４は、ｚ≧０．１５×Ｒ−１．１を満たす量子ドット４１１を少なくとも含む。これにより、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移波長を１０μｍ以下とすることができ、人間の体温における放射ピークが９．５〜１０μｍに存在するため、高感度で人を検知できる。
【００５３】
量子ドット４１１の材料は、例えば、ＩｎＡｓである。これにより、量子閉じ込め効果を増大させることができる。
【００５４】
図２は、図１に示す量子ドット層４１の別の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態における量子ドット層４１は、図２の（ａ）に示す量子ドット層４１Ａからなっていてもよく、図２の（ｂ）に示す量子ドット層４１Ｂからなっていてもよい。
【００５５】
図２の（ａ）を参照して、量子ドット４１Ａは、図１に示す量子ドット層４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ａに代えたものであり、その他は、量子ドット層４１と同じである。
【００５６】
部分キャップ層４１４Ａは、量子ドット４１１の形状に沿って量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。
【００５７】
図２の（ｂ）を参照して、量子ドット４１Ｂは、図１に示す量子ドット層４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ｂに代えたものであり、その他は、量子ドット層４１と同じである。
【００５８】
部分キャップ層４１４Ｂは、量子ドット４１１と同じ厚さを有し、量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。
【００５９】
この発明の実施の形態においては、部分キャップ層は、図１に示す部分キャップ層４１４および図２に示す部分キャップ層４１４Ａ，４１４Ｂのいずれの構成からなっていてもよい。
【００６０】
図３および図４は、それぞれ、図１に示す量子ドット型赤外線検出器１０の製造方法を示す第１および第２の工程図である。
【００６１】
図３を参照して、量子ドット型赤外線検出器１０の製造が開始されると、半絶縁性のＧａＡｓからなる半導体基板１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置内に支持する（図３の工程（ａ））。
【００６２】
そして、ＭＢＥ法によってバッファ層２を半導体基板１上に形成する（図３の工程（ｂ））。この場合、例えば、バッファ層２として２００ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を形成する。バッファ層２の形成によって、バッファ層２上に形成される光電変換層４の結晶性を向上させることができる。その結果、光電変換層４での受光効率が確保された赤外線検出器を提供することができる。
【００６３】
工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法によってバッファ層２上にｎ型半導体層３を形成する（図３の工程（ｃ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層３として５００ｎｍのｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層を形成する。
【００６４】
引き続いて、ＭＢＥ法によって、量子ドット４１１と中間層４１５とを含む量子ドット層４１をｎ型半導体層３上に形成する（図３の工程（ｄ））。
【００６５】
この場合、量子ドット４１１は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法によって形成される。
【００６６】
より具体的には、中間層４１５としてＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層を結晶成長させ、その後、量子ドットの下地層４１２としてＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層を結晶成長させ、自己組織化機構によって、ＩｎＡｓからなる量子ドット４１１を形成する。その後、部分キャップ層４１４としてＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層を結晶成長させることによって量子ドット４１１を埋め込む。更に、その後、中間層としてＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層を結晶成長させることにより量子ドット層４１を形成する。
【００６７】
そして、工程（ｄ）を、例えば、１０回繰り返すことによって、量子ドット層４１を積層した構造を有する光電変換層４をｎ型半導体層３上に形成する（図３の工程（ｅ））。
【００６８】
その後、ＭＢＥ法によって、ｎ型半導体層５を光電変換層４上に形成する（図４の工程（ｆ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層５として２００ｎｍの厚さを有するｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層を結晶成長させる。これにより、ｎｉｎ構造が形成される。
【００６９】
引き続いて、積層体をＭＢＥ装置から取り出し、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングを用いて、光電変換層４およびｎ型半導体層５の一部を除去し、ｎ型半導体層５上に電極６，７を形成し、ｎ型半導体層３上に電極８を形成する。これによって、量子ドット型赤外線検出器１０が完成する（図４の工程（ｇ））。
【００７０】
上記の製造工程においては、ｎ型ドーパントして、例えば、Ｓｉを用いることができる。また、電極６〜８の各々としてＡｕを用いることが好ましく、電極６〜８の各々は、抵抗加熱の蒸着法による真空蒸着によって形成されることが好ましい。
【００７１】
量子ドット型赤外線検出器１０に赤外線が入射されると、光電変換層４における光吸収によって電子が励起され、励起された電子は、電界によって移動し、光電流として電極６〜８によって取り出される。
【００７２】
量子ドット４１１の下地層４１２および部分キャップ層４１４にＡｌＧａＡｓを用いることによって、量子ドットの量子閉じ込め効果を得つつ、下地層４１２および部分キャップ層４１４の表面平坦性を良くすることができ、量子ドット層４１の多積層化に当たり、転位等の発生を抑制した量子ドット型赤外線検出器１０を作製することができる。
【００７３】
また、ｘおよびｙのうちの小さい方の数値ｚが、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たす積層方向に垂直な方向のサイズがＲ（ｎｍ）であり、積層方向のサイズが０．５×Ｒ以下である量子ドット４１１を少なくとも含むことで、量子ドットサイズによる量子閉じ込め効果も増大することができ、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移により８〜１４μｍの帯域で光吸収を有することができる。伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移は、前述の通り、積層方向に垂直な偏光方向において吸収係数が高いため、量子ドット型赤外線検出器１０の高感度化が可能となる。
【００７４】
上述した関係式「ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６」および関係式「ｚ≧０．１５×Ｒ−１．１」は、発明者らが様々な量子ドット構造におけるバンド構造のシミュレーションを行うことで得られた関係式である。
【００７５】
なお、量子ドット層の積層化における転位等の発生抑制を目的に量子ドットの障壁層としてＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）に着目し、また、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移波長の短波長化（量子閉じ込め効果の増大）を目的に、量子ドットの積層方向に垂直な方向のサイズに着目した。具体的には、歪とピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、バンド構造のシミュレーションを行った。
【００７６】
また、計算簡略化のため、量子ドットの下地層および部分キャップ層が量子閉じ込め効果において十分な厚みを有するとして、障壁層材料で囲まれた量子ドットについてシミュレーションを行った。
【００７７】
更に、障壁層材料がＡｌＧａＡｓである場合、Ａｌ組成が大きい程、量子閉じ込め効果は増大し、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移波長は、短波長化する。よって、下地層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）であり、部分キャップ層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）であるとき、ｘおよびｙのうちの小さい方の数値ｚを用いてバンド計算した場合、上記遷移波長が少なくとも計算値よりも短波長側に存在することが分かる。具体的には、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）、障壁層材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、またはアルミガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を用いた。量子ドットは、厚み０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズをＲ＝８〜２０ｎｍで計算した。
【００７８】
図５は、ｚとＲとの関係を示す図である。図５において、縦軸は、ｚを表し、横軸は、Ｒを表す。
【００７９】
なお、図５は、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移波長が１４μｍ以下（ａ）、１０μｍ以下（ｂ）となる障壁層材料のＡｌ組成（ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ＜１））および量子ドットの面内方向の直径サイズの組み合わせをプロットしたものである。
【００８０】
また、直線ｋ１，ｋ２は、それぞれ、遷移波長が１４μｍ以下および１０μｍ以下となるデータを全て満たす近似式であり、各組み合わせを満たすようにした。従って、直線ｋ１は、ｚ＝０．１４Ｒ−１．６の近似式によって表され、直線ｋ２は、ｚ＝０．１５Ｒ―１．１の近似式によって表される。
【００８１】
近似式の矢印側であれば、遷移波長が１４μｍ以下または１０μｍ以下となることを示す。また、８μｍ以上１４μｍ以下で光を検出する場合、上記関係式を満たす中で、適宜調整すればよい。
【００８２】
［評価試験］
この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器１０について、数値計算を行った。
【００８３】
歪とピエゾ電界の効果との影響を考慮に入れた８バンドｋ・ｐハミルトニアンの平面波展開法を用いて、バンド構造のシミュレーションを行った。また、計算簡略化のため、量子ドットの下地層４１２および部分キャップ層４１４が量子閉じ込め効果において十分な厚みを有するとして、障壁層材料で囲まれた量子ドット４１１についてシミュレーションを行った。
【００８４】
光吸収ピークは、伝導帯の基底準位と第一励起準位とのエネルギーギャップの大きさΔＥにより評価を行った。また、吸収スペクトルは、量子ドット４１１の面内方向の偏光として［１００］偏光、量子ドット４１１の積層方向の偏光として［００１］偏光の吸収スペクトルを計算した。
＜実験例１＞
本実験例では、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）、障壁層材料にガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた。
【００８５】
量子ドットは、厚み０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドットの面内方向の直径サイズをＲ＝１０ｎｍとした。量子ドットの積層方向のサイズ（高さ）は、ｈ＝２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍの３種類で計算した。また、量子ドット間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット間の積層方向の距離を２０ｎｍとした。
【００８６】
その結果、ΔＥは、ｈ＝２ｎｍのとき、９４ｍｅＶであり、ｈ＝３ｎｍのとき、１１２ｍｅＶであり、ｈ＝４ｎｍのとき、１１０ｍｅＶであり、１１〜１３μｍの帯域に光吸収ピークを有することが分かった。
【００８７】
図６は、ｈ＝３ｎｍのときの吸収スペクトルの結果を示す図である。図６において、縦軸は、光吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。
【００８８】
図６を参照して、［１００］偏光の吸収ピークは、１１２ｍｅＶに存在し、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移に起因する。一方、［００１］偏光の吸収は、ほぼ、存在しない。
【００８９】
本実験例では、下地層４１２がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０）であり、部分キャップ層４１４がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０）の場合であるため、ｚは、０となる。また、量子ドット４１１の積層方向に垂直な方向のサイズＲ（面内方向の直径サイズ）は、１０ｎｍであり、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たす（０≧−０．２）。よって、この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器１０は、１４μｍ以下で光を検出できる。
【００９０】
また、量子ドット４１１の面内方向の直径サイズがＲ＝２０ｎｍと大きい場合についても比較として計算した。量子ドット４１１の積層方向のサイズ（高さ）は、ｈ＝２ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍの３種類で計算した。
【００９１】
その結果、ΔＥは、ｈ＝２ｎｍのとき６３ｍｅＶであり、ｈ＝５ｎｍのとき６４ｍｅＶであり、ｈ＝８ｎｍのとき５２ｍｅＶであり、２０〜２４μｍに光吸収ピークを有することが分かった。
【００９２】
従って、大気の窓となる８〜１４μｍに光吸収ピークを有することができない。この場合、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たしていない（０≧１．２）。
【００９３】
以上から、量子ドット構造を構成する障壁層材料に応じ、量子ドット４１１の面内方向の直径サイズを一定以下に小さくすることで、面内方向の量子閉じ込め効果を高め、よって、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移によって、１４μｍ以下での光検出が可能となる。本実験例では、障壁層材料にガリウム砒素を用い、量子ドットの面内方向の直径サイズを１０ｎｍとすることで、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移で１４μｍ以下での光検出を可能とした。
＜実験例２＞
本実験例では、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）、障壁層材料にアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ）を用いた。量子ドット４１１は、厚み０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット４１１の面内方向の直径サイズをＲ＝１０ｎｍとした。量子ドット４１１の積層方向のサイズ（高さ）はｈ＝２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍの３種類で計算した。また、量子ドット４１１間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット４１１間の積層方向の距離を２０ｎｍとした。
【００９４】
その結果、障壁層材料にアルミニウムガリウム砒素を用いることによって、量子閉じ込め効果は増大する。ΔＥは、ｈ＝２ｎｍのとき１２６ｍｅＶであり、ｈ＝３ｎｍのとき１３１ｍｅＶであり、ｈ＝４ｎｍのとき１２４ｍｅＶであり、９．５〜１０μｍに光吸収ピークを有することが分かる。よって、人間の体温における放射ピークに一致することができ、効率的に検出することができる。
【００９５】
本実験例では、下地層４１２がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．２）であり、部分キャップ層４１４がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．２）である場合であるため、ｚは、０．２となる。また、量子ドット４１１の積層方向に垂直な方向のサイズＲ（面内方向の直径サイズ）は、１０ｎｍであり、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たす（０．２≧−０．２）。よって、量子ドット型赤外線検出器１０は、１４μｍ以下で光を検出できる。
【００９６】
また、追加計算として、障壁層材料にアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ）を用いた場合においても同様の数値計算を行った。
【００９７】
その結果、ΔＥは、ｈ＝２ｎｍのとき１３６ｍｅＶであり、ｈ＝３ｎｍのとき１３９ｍｅＶであり、ｈ＝４ｎｍのとき１２９ｍｅＶであり、９〜１０μｍに光吸収ピークを有することが分かる。
【００９８】
図７は、ｈ＝４ｎｍのときの吸収スペクトルの結果を示す図である。図７において、縦軸は、光吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。
【００９９】
図７を参照して、［１００］偏光の吸収ピークは、１２９ｍｅＶに存在し、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移に起因する。一方、［００１］偏光の吸収は、ほぼ、存在しない。
【０１００】
本実験例では、下地層４１２がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．４）であり、部分キャップ層４１４がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．４）である場合であるため、ｚは、０．４となる。また、量子ドット４１１の積層方向に垂直な方向のサイズＲ（面内方向の直径サイズ）は、１０ｎｍであり、ｚ≧０．１５×Ｒ−１．１を満たす（０．４≧０．４）。よって、量子ドット型赤外線検出器１０は、１０μｍ以下で光を検出できる。
【０１０１】
本実験例では、障壁層材料にアルミガリウム砒素を用い、量子ドット４１１の面内方向の直径サイズを１０ｎｍとすることで、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移で１４μｍ以下での光検出を可能とした。さらに、アルミガリウム砒素のＡｌ組成を高めることで、１０μｍ以下での光検出を可能とした。
＜実験例３＞
本実験例では、量子ドット材料にインジウム砒素（ＩｎＡｓ）、障壁層材料にアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ）を用いた。量子ドット４１１は、厚み０．５ｎｍの濡れ層を含むレンズ型であるとし、量子ドット４１１の面内方向の直径サイズをＲ＝１５ｎｍとした。量子ドット４１１の積層方向のサイズ（高さ）は、ｈ＝２ｎｍ、３ｎｍ、４ｎｍの３種類で計算した。また、量子ドット４１１間の面内方向の距離を２０ｎｍとし、量子ドット４１１間の積層方向の距離を２０ｎｍとした。
【０１０２】
その結果、障壁層材料にアルミニウム組成の大きなアルミニウムガリウム砒素を用いることによって、量子閉じ込め効果は、更に増大する。ΔＥは、ｈ＝２ｎｍのとき１０８ｍｅＶであり、ｈ＝３ｎｍのとき１０６ｍｅＶであり、ｈ＝４ｎｍのとき９７ｍｅＶであり、１１〜１３μｍに光吸収ピークを有することが分かった。
【０１０３】
図８は、ｈ＝２ｎｍのときの吸収スペクトルの結果を示す図である。図８において、縦軸は、光吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。
【０１０４】
図８を参照して、［１００］偏光の吸収ピークは、１０８ｍｅＶに存在し、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移に起因する。一方、［００１］偏光の吸収は、ほぼ、存在しない。
【０１０５】
本実験例では、下地層４１２がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．８）であり、部分キャップ層４１４がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．８）である場合であるため、ｚは、０．８となる。また、量子ドット４１１の積層方向に垂直な方向のサイズＲ（面内方向の直径サイズ）は、１５ｎｍであり、ｚ≧０．１４×Ｒ−１．６を満たす（０．８≧０．５）。よって、量子ドット型赤外線検出器１０は、１４μｍ以下で光を検出できる。
【０１０６】
本実験例では、障壁層材料にアルミガリウム砒素を用い、量子ドット４１１の面内方向の直径サイズを１５ｎｍとすることで、伝導帯の基底準位と伝導帯の第一励起準位（および伝導帯の第二励起準位）との間の遷移で１４μｍ以下での光検出を可能とした。
【０１０７】
＜実施例１＞
この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器１０は、別基板へ転写された量子ドット型赤外線検出器であってもよい。例えば、フレキシブル基板への転写により、柔軟性を有した赤外線検出器を得ることができる。
【０１０８】
具体的には、基板上に成長されたエピタキシャル層を基板から分離し、電極層を含むフレキシブル基板上に転写する。電極層は、転写後に作製してもよい。このような構造にすれば、柔軟性の高い赤外線検出器を得ることができる。さらに、このような構造にすれば、エピタキシャル成長基板の再使用が可能となり、低コスト化に繋がる。また、転写する基板は、フレキシブル基板でなくても、金属箔等に転写してもよい。
【０１０９】
＜実施例２＞
この発明の実施の形態による量子ドット型赤外線検出器１０は、ルミネッセンスコンバーターを用いた赤外線検出器であってもよい。１つもしくは複数の波長変換材料からなる波長変換層を含むルミネッセンスコンバーターの側面に光電変換層を設けることにより、波長変換層に入射した赤外光が集光および波長変換された後に光電変換層に入射する。このことにより、赤外線検出器の光電変換効率の向上を期待できる。
【０１１０】
ここで、ルミネッセンスコンバーターとは、波長変換材料が含まれた構成のことを言い、波長変換材料を固定させるために、ガラス、樹脂などを混ぜて成型体としたものである。
【０１１１】
また、ルミネッセンスコンバーターは、表面から赤外光が入射し、ルミネッセンスコンバーター内部で波長変換と光の放射を繰り返し、表面とその裏面において光が全反射され、最終的には、直方体の４つのエッジ面から集光および波長変換された赤外光が出てくる装置のことである。このルミネッセンスコンバーターの４つのエッジ面上にそれぞれ光電変換層を設けることにより、赤外線検出器の光電変換効率を向上させることができる。また、このような構造にすれば、赤外線検出器は、エッジ面積程度の使用量で構成されるため、材料の使用量・コストが低減される。また、赤外線検出器が軽量化されることで、赤外線検出器を窓、建材に貼り付けたり、屋根に搭載したり、場所を問わず使用することができる。
【０１１２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
この発明は、量子ドット型赤外線検出器に適用される。
【符号の説明】
【０１１４】
１  半導体基板、２  バッファ層、３，５  ｎ型半導体層、４光電変換層、６〜８  電極、１０  量子ドット型赤外線検出器、４１，４１Ａ，４１Ｂ  量子ドット層、４１１  量子ドット、４１２  下地層、４１３  濡れ層、４１４，４１４Ａ，４１４Ｂ  部分キャップ層、４１５  中間層。
【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】
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【図７】
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【図８】
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