(57)【要約】【課題】８〜１４μｍ帯域における光検出の半値幅を小さくできる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、量子ドット４１１と、量子ドット４１１の高さ方向において量子ドット４１１を挟む中間層４１５とを含む量子ドット層４１を積層した量子ドット積層構造を備える。そして、量子ドット４１１部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と量子ドット層に含まれる中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップおよび伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と中間層４１５の伝導帯下端とのエネルギーギャップが熱エネルギーの２倍よりも小さい。また、伝導帯基底準位は、伝導帯第一励起準位と離散的である。【選択図】図１
2019047000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットを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、
前記量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と前記量子ドット層に含まれる中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップおよび前記伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と前記中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップが熱エネルギーの２倍よりも小さく、
前記伝導帯基底準位は、前記伝導帯第一励起準位と離散的である、量子ドット型赤外線検出器。
【請求項２】
量子ドットを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、
前記量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と伝導帯第三励起準位とのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも小さく、
前記伝導帯基底準位は、前記伝導帯第一励起準位と離散的である、量子ドット型赤外線検出器。
【請求項３】
量子ドットを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る量子ドット型赤外線検出器であって、
前記量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位は、前記伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と離散的であり、
前記量子ドット型赤外線検出器への電磁波の入射または電流注入により検出される発光スペクトルは、独立したピークと連続的なピークを含み、前記２つのピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも大きく、前記連続的なピークの各ピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも小さい、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、前記量子ドットの高さ方向において前記量子ドットを挟む中間層を更に含む、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】
前記量子閉じ込め準位は、前記伝導帯基底準位のみからなる、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。
【請求項６】
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から請求項５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７】
前記量子ドット層は、前記量子ドットの障壁層を更に含み、
前記障壁層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）である、請求項１から請求項６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８】
前記中間層は、ＧａＡｓである、請求項１から請求項７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９】
前記量子ドットの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から請求項８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、非特許文献１では、量子ドットよりもワイドエネルギーギャップの中間層（ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ，ｘ＝０．１５−０．２０）と、中間層よりもワイドエネルギーギャップの障壁層（ＡｌＡｓ）とを含む量子ドット構造において、伝導帯基底準位ｅ０と伝導帯第一励起準位ｅ１との間の遷移および伝導帯基底準位ｅ０と伝導帯第二励起準位ｅ２との間の遷移で８〜１４μｍ帯の光検出を実現している。
【０００７】
また、非特許文献２では、伝導帯量子閉じ込め準位が１つとなる構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−１３６５８５公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Mitsuhiro Nagashima, Michiya Kibe, Minoru Doshida, Yasuhito Uchiyama, Yusuke Matsukura, and Hironori Nishino, “Photodetection around 10 μm wavelength using s-p transitions in InAs/AlAs/AlGaAs self-assembled quantum dots,” JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107, 054504 (2010).
【非特許文献２】Jamie Phillips, “Evaluation of the fundamental properties of quantum dot infrared detectors,” JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 91, 4590 (2002).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、非特許文献１に記載された量子ドット構造においては、伝導帯基底準位ｅ０と伝導帯第一励起準位ｅ１との間の遷移および伝導帯基底準位ｅ０と伝導帯第二励起準位ｅ２との間の遷移における量子ドットの面内異方性に起因する検出帯域の半値幅が大きくなるという問題がある。
【００１１】
そこで、この発明の実施の形態によれば、８〜１４μｍ帯域における光検出の半値幅を小さくできる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】
【００１２】
（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、量子ドットを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る。そして、量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と量子ドット層に含まれる中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップおよび伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップが熱エネルギーの２倍よりも小さい。また、伝導帯基底準位は、伝導帯第一励起準位と離散的である。
【００１３】
（構成２）
また、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、量子ドットを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る。そして、量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と伝導帯第三励起準位とのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも小さい。また、伝導帯基底準位は、伝導帯第一励起準位と離散的である。
【００１４】
（構成３）
更に、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、量子ドットを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る量子ドット型赤外線検出器であって、量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位は、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と離散的である。そして、量子ドット型赤外線検出器への電磁波の入射または電流注入により検出される発光スペクトルは、独立したピークと連続的なピークを含み、２つのピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも大きく、連続的なピークの各ピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも小さい。
【００１５】
（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、量子ドットの高さ方向において量子ドットを挟む中間層を更に含む。
【００１６】
（構成５）
構成１から構成４のいずれかにおいて、量子閉じ込め準位は、伝導帯基底準位のみからなる。
【００１７】
（構成６）
構成１から構成５のいずれかにおいて、量子ドット層は、不純物ドーピングされている。
【００１８】
（構成７）
構成１から構成６のいずれかにおいて、量子ドット層は、量子ドットの障壁層を更に含む。そして、障壁層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）である。
【００１９】
（構成８）
構成１から構成７のいずれかにおいて、中間層は、ＧａＡｓである。
【００２０】
（構成９）
構成１から構成８のいずれかにおいて、量子ドットの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。
【発明の効果】
【００２１】
８〜１４μｍ帯域における光検出の半値幅を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】量子ドット層４１の量子ドット４１１、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）および中間層４１５のエネルギー準位を示す模式図である。
【図６】伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップと、中間層のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図７】吸収スペクトルを示す図である。
【図８】伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップと、中間層のＡｌ組成との関係を示す図である。
【図９】吸収スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
この明細書において用いられる語句について説明する。
【００２５】
「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。
【００２６】
「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。
【００２７】
「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り、バンドギャップが量子ドットを構成する半導体材料よりも大きい半導体材料からなる。
【００２８】
「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いても良い。また、図１では、部分キャップ層の厚みが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。
【００２９】
「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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
ｎ型半導体層３，５の各々は、例えば、ｎ−ＧａＡｓ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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。中間層４１５は、量子ドット層４１の積層方向において、量子ドット４１１、下地層４１２および濡れ層４１３の両側に配置される。
【００４０】
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。
【００４１】
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、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および中間層４１５を少なくとも含んでいればよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
量子ドット層４１を構成する各材料は、例えば、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂｘＡｓ１−ｘ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、および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。）のいずれか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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および中間層４１５を少なくとも含み、量子ドット４１１、下地層４１２、部分キャップ層４１４および中間層４１５は、例えば、次の材料からなる。
【００４８】
量子ドット４１１は、ＩｎＡｓからなり、下地層４１２（「障壁層」とも言う。以下、同じ。）は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなり、部分キャップ層４１４（「障壁層」とも言う。以下、同じ。）は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなり、中間層４１５は、ＧａＡｓからなる。
【００４９】
下地層４１２および部分キャップ層４１４は、電子がトンネル可能な厚みを有する。
【００５０】
中間層４１５は、後述するように、伝導帯下端が量子ドット４１１部分に形成される伝導帯第一励起準位および伝導帯第二励起準位付近に位置する材料からなる。
【００５１】
なお、部分キャップ層４１４は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓに限らず、一般的には、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなっていればよい。部分キャップ層４１４（障壁層）がＡｌＧａＡｓからなると、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きい部分キャップ層４１４（障壁層）をＧａＡｓ基板上に作成し易くなる。
【００５２】
また、部分キャップ層４１４（障壁層）は、ＩｎＧａＰまたはＧａＡｓＰからなっていてもよい。
【００５３】
中間層４１５は、厚みのある層となるため結晶品質が重要である。ＡｌＧａＡｓ層の場合、Ａｌ組成が低いほど結晶品質が良くなるので、中間層４１５の材料をＧａＡｓにすることによって、中間層４１５の結晶品質を向上できる。
【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−ＧａＡｓ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ＧａＡｓ層を結晶成長させ、その後、量子ドット４１１の下地層４１２（障壁層）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ＧａＡｓ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】
なお、中間層４１５の厚みは、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）に比べて十分厚く、例えば、４０ｎｍの厚みである。また、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）は、励起されたキャリアがトンネルにより中間層４１５に取り出すために薄くする必要があり、例えば、１ｎｍの厚みである。
【００６９】
図３の工程（ｅ）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−ＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、ｎｉｎ構造が形成される。
【００７０】
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））。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
量子ドット型赤外線検出器１０において、伝導帯基底準位ｅ０と伝導帯第一励起準位ｅ１（および伝導帯第二励起準位ｅ２）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。伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
図５は、量子ドット層４１の量子ドット４１１、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）および中間層４１５のエネルギー準位を示す模式図である。
【００７８】
図５の（ａ）は、従来の量子ドット層における量子ドット、障壁層および中間層のエネルギー準位を示し、図５の（ｂ）は、この発明の実施の形態による量子ドット層４１の量子ドット４１１、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）および中間層４１５のエネルギー準位を示す。
【００７９】
量子ドット部分における伝導帯第一励起準位ｅ１、伝導帯第二励起準位ｅ２および伝導帯第三励起準位ｅ３のうち、伝導帯第二励起準位ｅ２と伝導帯第三励起準位ｅ３とのエネルギーギャップＥＧＡＰ３−２がＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい場合、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的になり、量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。離散的とは、例えば、エネルギーギャップが熱エネルギーよりも大きいことである。
【００８０】
一方、伝導帯第二励起準位ｅ２と伝導帯第三励起準位ｅ３とのエネルギーギャップＥＧＡＰ３−２がＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分小さい場合、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的になっていない。これは、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が中間層４１５の伝導帯下端付近に位置するからである。なお、エネルギーギャップＥＧＡＰ３−２がＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分小さいとは、例えば、熱エネルギー（室温の場合、２６ｍｅＶ）よりも小さいことを言う。
【００８１】
この発明の実施の形態による量子ドット層４１においては、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となる。「連続ライクな状態」とは、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２と中間層４１５の伝導帯の連続状態とが相互作用した状態であり、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２における電子の波動関数が量子ドット４１１部分と中間層４１５の伝導帯との両方に存在する状態である。
【００８２】
このような連続ライクな状態は、中間層４１５の伝導帯下端が伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２付近に位置する材料によって中間層４１５を形成し、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）の膜厚を電子がトンネル可能な膜厚に設定することによって実現される。なお、連続ライクな状態は、中間層４１５の伝導帯下端が伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２付近に位置する材料によって中間層４１５を形成すれば、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）がなくても実現される。
【００８３】
このように、従来の量子ドット層においては、量子閉じ込め準位は、量子ドット部分に形成される伝導帯基底準位ｅ０、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２を含み、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、中間層の伝導帯と連続ライクな状態にならない。
【００８４】
一方、この発明の実施の形態による量子ドット層４１においては、量子閉じ込め準位は、量子ドット４１１部分に形成される伝導帯基底準位ｅ０、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２のうち、伝導帯基底準位ｅ０のみからなり、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となる。
【００８５】
従って、量子ドット層４１は、従来の量子ドット層とは全く異なるものである。
【００８６】
量子ドット層４１においては、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となる結果、発光ピークは、伝導帯基底準位ｅ０に起因する１つの独立したピークと、伝導帯第一励起準位ｅ１に起因するピーク、伝導帯第二励起準位ｅ２に起因するピークおよび中間層４１５に起因するピークとが重なった連続的なピークとからなる。つまり、伝導帯第一励起準位ｅ１、伝導帯第二励起準位ｅ２および中間層４１５の伝導帯が連続状態を形成するので、発光ピークは、伝導帯基底準位ｅ０に起因する１つの独立したピークと、連続状態を形成する伝導帯第一励起準位ｅ１、伝導帯第二励起準位ｅ２および中間層４１５の伝導帯に起因する連続的なピークとからなる。その結果、吸収帯域（半値幅）が広がらない。従って、光検出の波長選択性を向上できる。
【００８７】
なお、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となっているか否かは、量子ドット型赤外線検出器１０の発光特性により立証する。より具体的には、量子閉じ込め準位が伝導帯基底準位ｅ０１つの場合（図５の（ｂ）参照）、独立したピークが１つと、連続的に繋がった複数のピークとが現れる。一方、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２がそれぞれ量子閉じ込め準位となる場合（図５の（ａ）参照）、独立したピークは、複数存在することになる。本発明の実施の形態における伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２に起因した２つのピークは、エネルギー値として近いため、これら２つのピークが連続的に繋がったスペクトルとなる。従って、発光特性として、独立したピークが１つと、連続的に繋がった複数のピークとが検出されれば、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となっていると判定され、発光特性として、独立したピークが複数と、連続的に繋がった複数のピークが検出されれば、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となっていないと判定される。なお、独立したピークとは、隣り合うピークとのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも十分大きく、連続的でないことを言う。
【００８８】
そして、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となっている状態は、発光特性として、伝導帯第一励起準位ｅ１以上に関する発光ピークが中間層４１５の伝導帯と連続であり、伝導帯基底準位ｅ０に関する発光ピークが上記連続した伝導帯から熱エネルギー以上離れている状態であってもよい。
【００８９】
この発明の実施の形態においては、次の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）いずれかが実現されれば、連続ライクな状態が実現されていることになる。
（Ａ）伝導帯第一励起準位ｅ１と中間層４１５の伝導帯下端とのエネルギーギャップおよび伝導帯第二励起準位ｅ２と中間層４１５の伝導帯下端とのエネルギーギャップが熱エネルギーの２倍よりも小さい。
（Ｂ）伝導帯第二励起準位ｅ２と伝導帯第三励起準位ｅ３とのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも小さい。
（Ｃ）量子ドット型赤外線検出器１０への電磁波の入射または電流注入により検出される発光スペクトルは、独立したピークと連続的なピークを含み、２つのピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも大きく、連続的なピークの各ピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも小さい。
【００９０】
なお、上記においては、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１０を理解し易くするために「連続ライクな状態」という文言を用いたものであり、この発明の範囲を決定するために「連続ライクな状態」という文言は、用いられるべきではない。この発明の範囲は、あくまでも、特許請求の範囲の記載に基づいて決定されるべきあり、その際に、「連続ライクな状態」という文言の意味内容を参酌して、この発明の範囲を決定すべきではない。
【００９１】
また、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の構造を発光スペクトルにより判断することができる。更に、量子ドット構造を構成する量子ドットの形状および組成と、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層、および挿入層などの厚みおよび組成とを用いた数値計算によりバンド構造を解析し、量子ドット型赤外線検出器１０の構造を判断することができる。
【００９２】
以下、実施例について説明する。
【００９３】
（実施例１）
図３および図４に示す工程（ａ）〜工程（ｇ）に従って量子ドット型赤外線検出器を製造した。この場合、中間層４１５の材料をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとし、ｘを０〜０．３の範囲で変化させた。
【００９４】
図６は、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップと、中間層４１５のＡｌ組成との関係を示す図である。
【００９５】
図６において、縦軸は、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップを表し、横軸は、中間層４１５のＡｌ組成を表す。
【００９６】
図６に示す結果は、計算結果であり、計算条件は、次のとおりである。
【００９７】
量子ドット４１１および濡れ層４１３は、ＩｎＡｓからなり、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）は、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなり、中間層４１５は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０，０．１，０．２，０．３）からなる。また、量子ドット４１１は、ピラミッド形状からなり、１０％の面内サイズ異方性を考慮して［１１０］方向を１８ｎｍとし、［１−１０］方向を［１１０］方向の１０％増のサイズとした。また、量子ドット４１１の高さを４ｎｍとした。更に、濡れ層４１３の厚みを０．５ｎｍとし、障壁層（下地層４１２および部分キャップ層４１４）の厚みを１ｎｍとした。そして、計算方法は、ｓｉｎｇｌｅ  ｂａｎｄを用いた。
【００９８】
図６を参照して、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２は、中間層４１５のＡｌ組成が“０”であるとき、最も小さく、中間層４１５のＡｌ組成が大きくなるに従って大きくなる。
【００９９】
そして、中間層４１５のＡｌ組成が”０”であるとき、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２のエネルギー位置が中間層４１５の伝導帯下端付近となる。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２の離散化が弱まり、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２が小さくなる。従って、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、連続状態となり、光検出の波長選択性を向上できる。
【０１００】
伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が離散的な量子閉じ込め準位を形成しているかを、伝導帯第二励起準位ｅ２と伝導帯第三励起準位ｅ３との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ２−３によって判断した。
【０１０１】
エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３がＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい場合、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１０２】
一方、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３がＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分小さい場合、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な準位になっていない（図５の（ｂ）参照）。これは、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２のエネルギー位置が中間層４１５の伝導帯下端付近に位置するためである。
【０１０３】
（１）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．３であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、７８ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１０４】
（２）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．２であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、７６ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１０５】
（３）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．１であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、７０ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１０６】
（４）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、８ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分小さい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な準位になっていない（図５の（ｂ）参照）。
【０１０７】
従って、図６に示すように、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．１，０．２，０．３である場合、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成し、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０であるとき、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な準位になっていない。
【０１０８】
そこで、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０である量子ドット型赤外線検出器を実施例１の量子ドット型赤外線検出器とし、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．１，０．２，０．３である量子ドット型赤外線検出器をそれぞれ比較例１，２，３の量子ドット型赤外線検出器とした。
【０１０９】
図７は、吸収スペクトルを示す図である。図７の（ａ）および（ｂ）において、縦軸は、吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。また、曲線ｋ１は、［１−１０］偏光方向（量子ドット４１１の結晶軸と同じ方向）における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ２は、［１１０］偏光方向における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ３は、総和を示す。更に、曲線ｋ４は、［１−１０］偏光方向（量子ドット４１１の結晶軸と同じ方向）における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ５は、［１１０］偏光方向における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ６は、総和を示す。
【０１１０】
図７の（ａ）を参照して、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．２であるとき、即ち、比較例２においては、各偏光の吸収ピークは、１１５ｍｅＶ（１０．８μｍ）、１３３ｍｅＶ（９．３μｍ）であり、吸収ピークのエネルギーギャップは、１８ｍｅＶである。この１８ｍｅＶのエネルギーギャップは、図６において、中間層４１５のＡｌ組成が０．２であるときの伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２に該当する。
【０１１１】
図７の（ｂ）を参照して、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０であるとき、即ち、実施例１においては、各偏光の吸収ピークは、１０３ｍｅＶ（１２．０μｍ）、１１６ｍｅＶ（１０．７μｍ）であり、吸収ピークのエネルギーギャップは、１３ｍｅＶである。この１３ｍｅＶのエネルギーギャップは、図６において、中間層４１５のＡｌ組成が０であるときの伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２に該当する。
【０１１２】
従って、図７の（ｂ）では、図７の（ａ）と比較して、検出帯域の半値幅が約３６ｍｅＶから約３０ｍｅＶに小さくなっていることが分かる。即ち、実施例１の量子ドット型赤外線検出器は、比較例２の量子ドット型赤外線検出器よりも検出帯域の半値幅を小さくできる。
【０１１３】
また、実施例１の量子ドット型赤外線検出器においては、各偏光の吸収が重なっているため、総和における最大吸収係数が大きくなる効果もある。これは、通常のセンサ利用時（無偏光）の感度特性に該当し、ピーク感度がより高いことを意味する。従って、ピーク感度を向上できる。
【０１１４】
（実施例２）
図８は、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップと、中間層４１５のＡｌ組成との関係を示す図である。
【０１１５】
図８において、縦軸は、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップを表し、横軸は、中間層４１５のＡｌ組成を表す。
【０１１６】
図８に示す計算結果は、量子ドット４１１の面内サイズ異方性に関し、［１−１０］方向を［１１０］方向の１５％増に変更した以外は、実施例１における計算条件と同じ計算条件を用いて計算した結果である。
【０１１７】
図８を参照して、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２とのエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２は、中間層４１５のＡｌ組成に対して、実施例１とほぼ同様の関係を有する。
【０１１８】
そして、実施例１では、中間層４１５のＡｌ組成が０．３から０となったとき、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２の変化は、５ｍｅＶであった。また、中間層４１５のＡｌ組成が０．１から０となったとき、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２の変化は、４ｍｅＶであった。
【０１１９】
一方、実施例２では、中間層４１５のＡｌ組成が０．３から０となったとき、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２の変化は、７ｍｅＶであった。また、中間層４１５のＡｌ組成が０．１から０となったとき、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２の変化は、５ｍｅＶであった。
【０１２０】
これは、量子ドットの面内サイズ異方性が大きい程、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２の差が大きくなるためであり、この発明の実施の形態による効果が、より顕著に現れる。
【０１２１】
実施例２においても、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２が離散的な量子閉じ込め準位を形成しているかを、伝導帯第二励起準位ｅ２と伝導帯第三励起準位ｅ３との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ２−３によって判断した。
【０１２２】
（５）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．３であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、６７ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１２３】
（６）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．２であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、７２ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１２４】
（７）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．１であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、７５ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分大きい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成する（図５の（ａ）参照）。
【０１２５】
（８）中間層４１５のＡｌ組成ｘが０であるとき
この場合、エネルギーギャップＥＧＡＰ２−３は、９ｍｅＶであり、ＬＯフォノンエネルギー３６ｍｅＶよりも十分小さい。その結果、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な準位になっていない（図５の（ｂ）参照）。
【０１２６】
従って、図８に示すように、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．１，０．２，０．３である場合、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な量子閉じ込め準位を形成し、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０であるとき、伝導帯第一励起準位ｅ１および伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的な準位になっていない。
【０１２７】
そこで、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０である量子ドット型赤外線検出器を実施例２の量子ドット型赤外線検出器とし、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．１，０．２，０．３である量子ドット型赤外線検出器をそれぞれ比較例４，５，６の量子ドット型赤外線検出器とした。
【０１２８】
実施例２の量子ドット型赤外線検出器は、実施例１の量子ドット型赤外線検出器において、量子ドット４１１の面内サイズ異方性を１５％に変更、即ち、［１１０］方向を１８ｎｍとし、［１−１０］方向を［１１０］方向の１５％増にのみ変更した以外は、実施例１の量子ドット型赤外線検出器と同様に製造された。
【０１２９】
また、比較例４，５，６の量子ドット型赤外線検出器は、それぞれ、比較例１，２，３の量子ドット型赤外線検出器において、［１１０］方向を１８ｎｍとし、［１−１０］方向を［１１０］方向の１５％増にのみ変更した以外は、比較例１，２，３の量子ドット型赤外線検出器と同様に製造された。
【０１３０】
図９は、吸収スペクトルを示す図である。図９の（ａ）および（ｂ）において、縦軸は、吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。また、曲線ｋ７は、［１−１０］偏光方向（量子ドット４１１の結晶軸と同じ方向）における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ８は、［１１０］偏光方向における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ９は、総和を示す。更に、曲線ｋ１０は、［１−１０］偏光方向（量子ドット４１１の結晶軸と同じ方向）における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ１１は、［１１０］偏光方向における吸収スペクトルを示し、曲線ｋ１２は、総和を示す。
【０１３１】
図９の（ａ）を参照して、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０．２であるとき、即ち、比較例５においては、各偏光の吸収ピークは、１１０ｍｅＶ（１１．２μｍ）、１３３ｍｅＶ（９．３μｍ）であり、吸収ピークのエネルギーギャップは、２３ｍｅＶである。この２３ｍｅＶのエネルギーギャップは、図８において、中間層４１５のＡｌ組成が０．２であるときの伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２に該当する。
【０１３２】
図９の（ｂ）を参照して、中間層４１５のＡｌ組成ｘが０であるとき、即ち、実施例２においては、各偏光の吸収ピークは、１００ｍｅＶ（１２．３μｍ）、１１７ｍｅＶ（１０．５μｍ）であり、吸収ピークのエネルギーギャップは、１７ｍｅＶである。この１７ｍｅＶのエネルギーギャップは、図８において、中間層４１５のＡｌ組成が０であるときの伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２との間のエネルギーギャップＥＧＡＰ１−２に該当する。
【０１３３】
従って、図９の（ｂ）では、図９の（ａ）と比較して、検出帯域の半値幅が約４６ｍｅＶから約３５ｍｅＶに小さくなっていることが分かる。即ち、実施例２の量子ドット型赤外線検出器は、比較例５の量子ドット型赤外線検出器よりも検出帯域の半値幅を小さくできる。
【０１３４】
また、実施例２の量子ドット型赤外線検出器においては、各偏光の吸収が重なっているため、総和における最大吸収係数が大きくなる効果もある。これは、通常のセンサ利用時（無偏光）の感度特性に該当し、ピーク感度がより高いことを意味する。従って、ピーク感度を向上できる。
【０１３５】
実施例２の量子ドット型赤外線検出器においては、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２は、中間層４１５の伝導帯と連続ライクな状態となり、量子閉じ込め準位が伝導帯基底準位ｅ０のみからなり、比較例４，５，６の量子ドット型赤外線検出器においては、伝導帯第一励起準位ｅ１と伝導帯第二励起準位ｅ２は、離散的になる。
【０１３６】
従って、実施例２の量子ドット型赤外線検出器は、比較例４，５，６の量子ドット型赤外線検出器よりも検出帯域の半値幅を小さくできる。
【０１３７】
上述した実施の形態によれば、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、量子ドットを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、
量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と量子ドット層に含まれる中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップおよび伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップが熱エネルギーの２倍よりも小さく、伝導帯基底準位は、伝導帯第一励起準位と離散的であればよい。
【０１３８】
伝導帯第一励起準位と中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップおよび伝導帯第二励起準位と中間層の伝導帯下端とのエネルギーギャップが熱エネルギーの２倍よりも小さければ、上述した連続ライクな状態が実現され、８〜１４μｍ帯域における光検出の半値幅を小さくできるからである。
【０１３９】
また、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、量子ドットを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、
量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第二励起準位と伝導帯第三励起準位とのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも小さく、伝導帯基底準位は、伝導帯第一励起準位と離散的であればよい。
【０１４０】
伝導帯第二励起準位と伝導帯第三励起準位とのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも小さければ、上述した連続ライクな状態が実現され、８〜１４μｍ帯域における光検出の半値幅を小さくできるからである。
【０１４１】
更に、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、量子ドットを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る量子ドット型赤外線検出器であって、
量子ドット部分における伝導帯の量子閉じ込め準位のうち、伝導帯基底準位は、伝導帯基底準位よりも高いエネルギー位置に形成される伝導帯第一励起準位と離散的であり、
量子ドット型赤外線検出器への電磁波の入射または電流注入により検出される発光スペクトルは、独立したピークと連続的なピークを含み、２つのピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも大きく、連続的なピークの各ピークのエネルギーギャップは、熱エネルギーよりも小さければよい。
【０１４２】
独立したピークと連続的なピークとのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも大きく、連続的なピークの各ピークのエネルギーギャップが熱エネルギーよりも小さければ、上述した連続ライクな状態が実現されており、８〜１４μｍ帯域における光検出の半値幅を小さくできるからである。
【０１４３】
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】
【０１４４】
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】
【０１４５】
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  量子ドット層、４１１  量子ドット、４１２  下地層、４１３  濡れ層、４１４  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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【図９】
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