(57)【要約】【課題】感度スペクトルのピーク波長を受光感度が高い８μｍ〜１０μｍに調整できる赤外線検出素子を提供する。【解決手段】本発明の赤外線検出素子は、量子ドット層を備えた光吸収層を少なくとも一層備え、前記量子ドット層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で表記される量子ドットを含み、感度スペクトルのピーク波長が８μｍ以上１０μｍ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】
量子ドット層を備えた光吸収層を少なくとも一層備え、
前記量子ドット層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で表記される量子ドットを含み、
感度スペクトルのピーク波長が８μｍ以上１０μｍ以下である、赤外線検出素子。
【請求項２】
前記量子ドットの少なくとも一部は、前記量子ドットよりＩｎ比率が低い量子井戸層によって被覆されている、請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記量子井戸層が、前記量子ドットの積層方向の上面を被覆している、請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記量子ドットにＳｉがドープされている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記量子ドットの積層方向の上面が平坦化されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記量子ドットの積層方向の下面の直径が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記光吸収層は、前記量子ドット層の積層方向の上方に位置する上部バリア層と、前記量子ドット層の積層方向の下方に位置する下部バリア層と、をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記上部バリア層及び前記下部バリア層の厚みが１ｎｍ以下である、請求項７に記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記下部バリア層と前記量子ドット層との間にＧａＡｓからなる下地層を有する、請求項７又は８に記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
前記光吸収層が中間層を介して複数積層された、請求項１〜９のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出素子は、熱検知や、二酸化炭素や大気汚染物質の濃度測定、人工衛星を用いたリモートセンシング等に用いられる。赤外線検出器の一つとして、量子ドットのサブバンド間遷移を利用した量子ドット型赤外線検出素子が知られている。
【０００３】
量子ドット型赤外線検出素子は、量子ドットの周囲を、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持つ半導体で３次元的に囲まれた構造を有する。量子ドット内には、電子又は正孔が強く閉じ込められ、離散的なエネルギー準位が形成される。こ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エネルギーを持つ赤外線を検知する。
【０００４】
特許文献１には、量子ドットと障壁層との間に中間層を備える量子ドット型赤外線検出器が記載されている。量子ドットからの電子の脱出を中間層により容易にすることで、赤外線検出器の感度が高まる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１０９４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の赤外線検出器は、量子ドットにＩｎＡｓを用いており、大気による赤外線吸収が生じにくい８μｍ〜１４μｍの波長帯域に感度スペクトルのピーク波長を有していない。
【０００７】
本発明の目的は、上述の課題を鑑み、感度スペクトルのピーク波長を受光感度が高い８μｍ〜１０μｍに調整できる赤外線検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様にかかる赤外線検出素子は、量子ドット層を備えた光吸収層を少なくとも一層備え、前記量子ドット層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で表記される量子ドットを含み、感度スペクトルのピーク波長が８μｍ以上１０μｍ以下である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、感度スペクトルのピーク波長を受光感度が高い８μｍ〜１０μｍに調整できる赤外線検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施態様にかかる赤外線検出素子の断面を模式的に示した図である。
【図２】本実施形態にかかる赤外線検出素子の素子部の要部を拡大した断面模式図である。
【図３】図２に示す赤外線検出素子の伝導帯構造を模式的に示した図である。
【図４】本実施形態にかかる赤外線検出素子の受光波長と、受光波長における受光感度との関係を模式的に示した図である。
【図５】量子ドットにＩｎＡｓを用いた赤外線検出素子の伝導帯構造を模式的に示した図である。
【図６】量子ドットにＩｎＡｓを用いた赤外線検出素子の受光波長と、受光波長における受光感度との関係を模式的に示した図である。
【図７】ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で構成される量子ドットのピーク波長と赤外線検出素子の受光感度との関係を示した図である。
【図８】図７における検討で検出した赤外線の受光感度と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓのＩｎ組成比ｘと、ピーク波長λｐと、の関係を一つのグラフにまとめたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態である赤外線検出素子について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１２】
図１は、本実施形態にかかる赤外線検出素子の断面模式図である。図１に示す赤外線検出素子１００は、素子部２０と、半導体基板２１と、緩衝層２２と、下部コンタクト層２３と、上部コンタクト層２４と、上部電極２５と、下部電極２６と、電圧源２７と、電流計２８とを備える。
【００１３】
半導体基板２１、緩衝層２２及び下部コンタクト層２３は、素子部２０の土台である。半導体基板２１には、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物を用いることができる。例えば、ＧａＡｓ等を用いることができる。
【００１４】
緩衝層２２は、半導体基板２１の一面に積層されている。緩衝層２２は、一般的には半導体基板２１と同一の材料により構成されるが、結晶品質が十分であれば半導体基板２１と格子整合する他の材料でも構わない。
【００１５】
下部コンタクト層２３は、緩衝層２２の半導体基板２１と反対側の面に積層されている。下部コンタクト層２３は、素子部２０と下部電極２６との電気的な接続を担う。下部コンタクト層２３は、ｎ型半導体を主材料として構成される。下部コンタクト層２３には、例えばＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓを用いることができる。
【００１６】
下部コンタクト層２３の一面には、素子部２０と下部電極２６とが積層されている。下部電極２６は、導電性を有するものを用いることができる。
【００１７】
下部電極２６は、電圧源２７及び電流計２８を介して、上部電極２５と接続されている。上部電極２５は、導電性を有するものを用いることができる。電圧源２７は、上部電極２５と下部電極２６との間に適切な電圧を印加する。電圧を印加することで、素子部２０に電子が注入される。電流計２８は、上部電極２５と下部電極２６との間に流れる光電流を測定する。光電流は、素子部２０に入射した赤外線Ｌを吸収することにより生じる。
【００１８】
上部電極２５は、上部コンタクト層２４と接続されている。上部コンタクト層２４は、素子部２０の上面に形成されている。上部コンタクト層２４は、素子部２０と上部電極２５との電気的な接続を担う。上部コンタクト層２４は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。上部コンタクト層２４には、例えばＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓを用いることができる。
【００１９】
素子部２０は、下部コンタクト層２３と上部コンタクト層２４との間に設けられている。素子部２０は、赤外線Ｌを吸収し、光電流を生み出す。素子部２０は、光吸収層１０と中間層１１とが順に積層されている。光吸収層１０は単層でもよいが、入射する赤外線Ｌの吸収効率を高めるためには、複数層積層されていることが好ましい。具体的には、光吸収層１０は１０層以上積層されていることが好ましい。
【００２０】
図２は、本実施形態にかかる赤外線検出素子１００の素子部２０の要部を拡大した断面模式図であり、一つの量子ドット１２Ａ近傍を拡大している。
【００２１】
図２に示すように、光吸収層１０は、下部バリア層１５と、下地層１４と、量子ドット層１２と、量子井戸層１３と、キャップ層１６と、上部バリア層１７とを備える。
【００２２】
量子ドット層１２は、電圧源２７（図１参照）により素子部２０に注入された電子を捕捉する。図３は、図２に示す赤外線検出素子１００の伝導帯構造を模式的に示した図である。図３に示すように、量子ドット層１２はエネルギー準位が最も低い。そのため、素子部２０に注入された電子は量子ドット層１２に落ち込む。
【００２３】
量子ドット層１２は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で表記される量子ドット１２Ａを含む。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で構成される量子ドット１２Ａは、ＩｎＡｓを用いた量子ドットと比較して最小エネルギーＥ１が高い。そのため、この例の場合、基底状態ｕ１しか存在しない。
【００２４】
上記の組成式においてＩｎ組成比ｘは、０．４３≦ｘ≦０．５１であることが好ましく、０．４５＜ｘ＜０．５０であることがより好ましい。量子ドット１２Ａの組成は、量子ドット１２Ａがとりうる伝導帯構造に大きな影響を及ぼす。
【００２５】
量子ドット１２Ａの組成式を上記範囲内とすることで、感度スペクトルのピーク波長を受光感度が高い８μｍ〜１０μｍに調整できる。
【００２６】
量子ドット層１２には、量子ドット１２Ａが複数個、存在している。量子ドット層１２における量子ドット１２Ａの密度は、１×１０１０個／ｃｍ２以上１×１０１２個／ｃｍ２以下であることが好ましく、５×１０１０個／ｃｍ２以上５×１０１１個／ｃｍ２以下であることがより好ましく、１×１０１１個／ｃｍ２であることがさらに好ましい。赤外線吸収体である量子ドット１２Ａの数は吸収媒体の総体積を増加させるという観点からはより多い方が好ましい。一方で、量子ドット１２Ａの数が多くなりすぎると、隣接する量子ドット１２Ａ同士の距離が近くなりすぎ、互いに影響を及ぼしあう。その結果、量子ドット１２Ａの３次元閉じ込め効果が低下する。そのため、量子ドット１２Ａが所定の密度範囲で存在することで、赤外線Ｌの吸収効率が高まる。
【００２７】
また量子ドット１２Ａの積層方向の上面１２ａは、平坦化していることが好ましい。すなわち、複数の量子ドット１２Ａの高さは略一定であることが好ましい。ここで略一定とは、量子ドット１２Ａを含むウエハの断面を透過型電子顕微鏡で観察することにより計測した５０個の量子ドット１２Ａの高さの平均値に対するブレが２０％以内を意味する。
【００２８】
複数の量子ドット１２Ａの高さが揃うと、それぞれの量子ドット１２Ａ中の基底状態ｕ１が一定になる。赤外線検出素子１００は、基底状態ｕ１と励起状態のエネルギー準位差により吸収波長が決定する。すなわち、各量子ドット１２Ａにおける基底状態ｕ１が一定になることで、エネルギー準位差が一定になり、特定の波長の赤外線に対する赤外線検出素子１００の感度が高まる。
【００２９】
量子ドット１２Ａの高さは、３ｎｍ以上６ｎｍ以下であることが好ましく、４ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがより好ましく、４．５ｎｍであることがさらに好ましい。
【００３０】
また量子ドット１２Ａの形状は、円柱形状または円錐台形状であることが好ましい。量子ドット１２Ａのサイズは、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍであることがさらに好ましい。ここで量子ドット１２Ａのサイズとは、量子ドット１２Ａの積層方向の下面の直径を指す。また量子ドット１２Ａの上面は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましく、１２ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることがより好ましく、１４ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３１】
量子ドット１２Ａのサイズや高さは、量子ドット層１２の伝導帯構造を変化させる。例えば、量子ドット１２Ａのサイズや高さが大きすぎると、量子ドット層１２内に捕捉される電子数が増える。捕捉される電子数が増すと、それぞれが相互作用を生じ、赤外線検出の感度が低下するおそれがある。
【００３２】
また量子ドット１２ＡにはＳｉがドープされていることが好ましい。量子ドット１２ＡにＳｉをドープすると、キャリアとなる電子が増加する。赤外線検出素子１００は、電子の動きを光電流として読み出す。すなわち、キャリア数が増加すると、赤外線検出素子１００の検出感度が向上する。特に、後述する下部バリア層１５及び上部バリア層１７を設ける場合は、Ｓｉをドープすることが好ましい。これらのバリア層は、電子の流れを阻害する。そのため、赤外線検出素子１００内のキャリア数を増加させることで、検出感度の低下をより防ぐことができる。
【００３３】
量子井戸層１３は、量子ドット１２Ａの少なくとも一部を被覆する。量子井戸層１３の上面の形状は、量子ドット１２Ａの形状を反映することが好ましく、量子井戸層１３は量子ドット１２Ａの上面１２ａを被覆することが好ましい。量子井戸層１３が量子ドット１２Ａの上面１２ａを被覆すると、エネルギー準位において中間準位が設けられ、光電流が流れやすくなる。量子井戸層１３は、量子ドット１２ＡよりＩｎ組成比ｘが低い物質を含む。例えば、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ等を用いることができる。
【００３４】
量子井戸層１３のエネルギー準位は、キャップ層１６と量子ドット層１２の中間に位置する。つまり量子井戸層１３は、束縛された電子が励起される際の中間準位として機能する。中間準位が存在すると、光電流が流れやすくなり、赤外線検出素子１００の感度が向上する。
【００３５】
量子井戸層１３の厚みは、４ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上６ｎｍ以下であることがより好ましく、５．７ｎｍであることがさらに好ましい。ここで量子井戸層１３の厚みとは、量子ドット１２Ａが存在しない部分における量子井戸層１３の厚みを指す。量子井戸層１３の幅が厚すぎると、量子ドット１２Ａによる量子閉じ込め効果が小さくなる。そのため暗電流が増大し、赤外線検出素子１００の感度低下の原因となる。
【００３６】
下部バリア層１５は、量子ドット層１２の積層方向の下方に位置する。下部バリア層１５の伝導帯端は、基準となるＧａＡｓのエネルギー準位よりエネルギー準位が高い。このような伝導帯オフセットを持つ物質としては、例えばＡｌをドープしたＧａＡｓが挙げられる。より具体的には、下部バリア層１５にＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを用いることができる。
【００３７】
一方で上部バリア層１７は、量子ドット層１２の積層方向の上方に位置する。上部バリア層１７の伝導帯端は、基準となるＧａＡｓのエネルギー準位よりエネルギー準位が高い。上部バリア層１７には、下部バリア層１５と同様の物質を用いることができる。
【００３８】
量子ドット層１２に束縛された電子は、下部バリア層１５及び上部バリア層１７をトンネル効果又は熱励起により通過する。換言すると、下部バリア層１５及び上部バリア層１７は電子の流れを阻害する。下部バリア層１５及び上部バリア層１７は、赤外線検出素子１００の暗電流を抑制する。
【００３９】
下部バリア層１５及び上部バリア層１７の厚みは２ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることがより好ましい。これらの厚みが厚すぎると、電子がこれらの障壁を通過することが難しくなる。つまり、赤外線検出素子１００の暗電流だけでなく、必要な光電流の流れも阻害するおそれがある。その結果、赤外線検出素子１００の感度の低下の原因となりうる。
【００４０】
下地層１４は、下部バリア層１５と量子ドット層１２の間に位置する。下地層１４は、中間層１１と同様にＧａＡｓからなる。Ａｌがドープされた下部バリア層１５の上には、量子ドット層１２を積層し難い。下地層１４を設けることで、量子ドット層１２の結晶性が高まる。
【００４１】
またキャップ層１６は、上部バリア層１７と量子ドット層１２の間に位置する。キャップ層１６も中間層１１と同様にＧａＡｓからなる。
【００４２】
下地層１４及びキャップ層１６のエネルギー準位は、量子ドット層１２と下部バリア層１５又は上部バリア層１７の間に位置する。つまり下地層１４及びキャップ層１６は、束縛された電子が励起される際の中間準位として機能する。中間準位が存在すると、光電流が流れやすくなり、赤外線検出素子１００の感度が向上する。
【００４３】
下地層１４及びキャップ層１６の厚みは、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましく、１．０ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることがより好ましい。下地層１４及びキャップ層１６により形成される量子井戸の幅が厚すぎると、量子ドット１２Ａによる量子閉じ込め効果が小さくなる。そのため、暗電流が増大し、赤外線検出素子１００の感度低下の原因となる。
【００４４】
光吸収層１０において赤外線Ｌ（図１参照）を吸収するのは、量子ドット層１２である。そのため、必須の層は量子ドット層１２である。一方で、その他の層も光吸収に大きな寄与を及ぼすため、赤外線検出素子１００は上述のその他の層も備えることが好ましい。
【００４５】
素子部２０において光吸収層１０は、中間層１１を介して積層されている。中間層１１は、ＧａＡｓからなることが好ましい。中間層１１は、量子ドット１２Ａによって凹凸が形成された積層面を平坦化する。そのため、中間層１１の厚みは、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましく、４６ｎｍであることがさらに好ましい。
【００４６】
ここまで、赤外線検出素子１００の具体的な構成について説明した。次いで、赤外線検出素子１００の動作について図を用いて説明する。
【００４７】
図１に示すように赤外線検出素子１００に赤外線Ｌが入射する。入射した赤外線Ｌは、光吸収層１０で吸収される。光吸収層１０は、赤外線Ｌを吸収し、光電流を生み出す。発生した光電流は、電流計２８により検出される。光吸収層１０において、赤外線Ｌを吸収し光電流が生み出される過程について説明する。
【００４８】
図３に示すように、量子ドット層１２はエネルギー準位が最も低い。そのため、電圧源２７（図１参照）により素子部２０に注入された電子は、量子ドット層１２に捕捉される。量子ドット層１２に捕捉された電子は、赤外線Ｌ（図１参照）により励起される。励起された電子は、トンネル効果又は熱励起により下部バリア層１５又は上部バリア層１７を通過し、光電流を発生させる。
【００４９】
電子が励起される際には、量子ドット層１２の基底状態ｕ１から磁気量子数が３の励起状態ｗｋ（１≦ｋ＜５００）への遷移（第１の遷移）が主に生じる。励起過程に要するエネルギーのうち、基底状態ｕ１のエネルギーＥ１と、励起状態ｗｋにおける下地層１４及びキャップ層１６の束縛エネルギーＥｃとのエネルギー差が、８〜１０μｍの赤外線のエネルギーに合致する。
【００５０】
一方で、量子ドット層１２の組成、構成を変化すると、電子の遷移過程も変化する。例えば、量子ドット層１２の基底状態ｕ１から別の励起状態ｗｋ’への遷移（第２の遷移）が生じる。励起状態ｗｋ’は、励起状態ｗｋよりも基板成長軸方向に広く波動関数が広がっている。そのため、励起状態ｗｋ’と基底状態ｕ１との波動関数の重なりは、励起状態ｗｋとの場合に比べて小さく、遷移双極子モーメントが小さい。
【００５１】
図４は、本実施形態にかかる赤外線検出素子１００の受光波長と、受光波長における受光感度との関係を模式的に示した図である。図４に示すように、感度スペクトルは受光波長に対して離散的になっている。これは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で構成される量子ドット１２Ａは、量子ドット層１２内でとりうる準位が基底状態ｕ１に固定されるためである。
【００５２】
第１の感度スペクトルＱＤ１は、量子ドット１２Ａが所定の組成の場合の第１の遷移によって生じる。第１の遷移は、最小エネルギーＥ１と束縛エネルギーＥｃとのエネルギー差分に対応する波長の赤外線により生じる。この赤外線の波長は、第１の感度スペクトルＱＤ１のピーク波長λ１に対応する。
【００５３】
第１の遷移過程に必要なエネルギーは、励起過程において最小である。そのため、生じる感度スペクトルの中でピーク波長λ１は最も短波長となる。
【００５４】
本実施形態にかかる赤外線検出素子１００は、量子ドット層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で表記される量子ドットを含む。そのため、ピーク波長λ１は、８μｍ以上１０μｍ以下となる。
【００５５】
一方で、第２の感度スペクトルＱＤ２は、量子ドット１２Ａの組成又は周囲の構成を変化させた場合の第２の遷移によって生じる。第２の遷移は第１の遷移より必要なエネルギー量が多い。そのため第２の感度スペクトルＱＤ２の最大受光感度は、第１の感度スペクトルＱＤ１より小さい。またピーク波長λ２は、ピーク波長λ１より長波長となる。
【００５６】
その他、量子ドット１２Ａの組成等を変化させることで、感度スペクトルのピークが得られる位置は変わる。例えば、励起過程によっては、第３の感度スペクトルＱＤ３等も生じる。これらの励起過程は、第１の遷移及び第２の遷移より必要なエネルギー量が多い。そのため、第３の感度スペクトルＱＤ３以降の感度スペクトルの最大受光感度は小さくなり、ピーク波長も長波長にシフトする。
【００５７】
図４には、大気の赤外線の透過率も同時に示す（符号Ａ）。大気は赤外線を吸収するが、８μｍ〜１４μｍの波長帯域の赤外線の透過率は高い。この帯域は大気の窓と呼ばれている。赤外線検出素子は、例えば人工衛星を用いたリモートセンシング等にも用いられている。そのため、大気による赤外線の吸収の影響は無視できない。そのため、大気環境下における赤外線の検出では、この大気の窓を利用することが好ましい。本実施形態にかかる赤外線検出素子１００は、ピーク波長λｐが８μｍ以上１０μｍ以下であり、大気の窓を利用している。
【００５８】
これに対し、図５は量子ドットにＩｎＡｓを用いた赤外線検出素子の伝導帯構造を模式的に示した図である。また図６は、量子ドットにＩｎＡｓを用いた赤外線検出素子の受光波長と、受光波長における受光感度との関係を模式的に示した図である。図６には、大気の赤外線の透過率も同時に示す（符号Ａ）。
【００５９】
図５に示すように、量子ドットにＩｎＡｓを用いた量子ドット層１２’のエネルギー準位は、量子ドットにＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを用いた場合より低い。そのため、量子ドット層１２’内でとりうる状態（状態ｕ１、状態ｖ１、状態ｗ１）が複数存在する。すなわち、電子の励起過程が多数存在する。その結果、図６に示す感度スペクトルは複数のピークが重ね合わさったものとなる。
【００６０】
また量子ドット層１２’のエネルギー準位が低いため、最小エネルギーＥ１と中間層１１’による束縛エネルギーＥｃとのエネルギー差は大きくなる。すなわち、状態ｕ１、状態ｖ１、状態ｗ１から状態ｕｋ、状態ｖｋ、状態ｗｋの遷移に必要なエネルギーが大きくなる。そのため、赤外線検出素子の感度スペクトルのピーク波長λｐは、大気の窓より短波長となる。
【００６１】
上述のように、本実施形態にかかる赤外線検出素子は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４３≦ｘ≦０．５１）で表記される量子ドットを含み、感度スペクトルのピーク波長が８μｍ以上１０μｍ以下である。すなわち、本実施形態にかかる赤外線検出素子は、大気の窓の中でも最も短波長の領域に感度スペクトルのピーク波長を有する。そのため、大気の窓の中でも特に高感度に赤外線を検出できる。
【００６２】
次に、本実施形態にかかる赤外線検出素子の製造方法の一例について図１及び図２を基に説明する。
【００６３】
半導体基板２１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意する。そして半導体基板２１を分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置内に導入する。自然酸化膜の除去処理を行った後、５８０℃程度に半導体基板２１の温度を保つ。その後、半導体基板２１と同じＧａＡｓからなる緩衝層を５００ｎｍの膜厚で積層する。
【００６４】
次いで、緩衝層２２の上に下部コンタクト層２３を積層する。下部コンタクト層２３は、ＧａＡｓを積層後にＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングする。
【００６５】
そして得られた下部コンタクト層２３上に、素子部２０を積層する。まず中間層１１としてＧａＡｓを積層する。中間層１１の上には、光吸収層１０を積層する。
【００６６】
光吸収層１０は以下の手順で積層する。まず中間層１１上に、厚み１ｎｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで表記される下部バリア層１５と、厚み１ｎｍ程度のＧａＡｓからなる下地層１４とを順に積層する。
【００６７】
その後、半導体基板２１の温度を５００℃前後まで低下させ、厚さが２〜３原子層分のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを積層する。
【００６８】
この際、格子定数の違いから発生する歪みにより、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓは島状に三次元成長する。これはＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード成長と呼ばれる様式であり、この手法により、量子ドット１２Ａが平面内に複数並んだ量子ドット層１２が得られる。量子ドット１２Ａの高さ、サイズ、密度等は、成長温度、成長速度、供給するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの量で調整できる。
【００６９】
量子ドット１２Ａを作製した後には、フラッシングを行うことが好ましい。フラッシングとは、複数の量子ドット１２Ａの高さを揃えることをいう。フラッシングは、以下の手順で行うことができる。まず量子ドット１２Ａを成長後、量子ドット１２Ａを構成する材料より蒸発しにくい材料からなる埋め込み層を、量子ドット１２Ａより低い高さで、量子ドット１２Ａの周囲に形成する。その結果、量子ドット１２Ａは、埋め込み層内に埋め込まれる。そして、半導体基板２１を加熱し、埋め込み層により被覆されなかった量子ドット１２Ａを蒸発させる。このような手順を経ることで、複数の量子ドット１２Ａの高さが揃う。量子ドット１２Ａ中に含まれるＩｎは、Ｇａより昇華しやすい。そのため、加熱することで量子ドット１２Ａ中に含まれるＩｎの一部が昇華し、量子ドット１２Ａの上面１２ａが平坦化する。
【００７０】
また量子ドット１２Ａには、Ｓｉをドープすることが好ましい。Ｓｉドープは、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）により量子ドット層１２上にＳｉ分子線を所定の時間照射することにより行う。
【００７１】
そして量子ドット層１２上には、Ｉｎ組成比ｘを量子ドット層１２より減らした量子井戸層１３を積層する。量子井戸層１３を５〜６ｎｍ程度積層することで、量子ドット層１２は量子井戸層１３により被覆される。量子井戸層１３は、量子ドット１２Ａの形状を反映する。
【００７２】
その後、厚み１ｎｍ程度のＧａＡｓからなるキャップ層１６と、厚み１ｎｍ以下のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで表記される上部バリア層１７と、を順に積層する。これにより光吸収層１０が形成される。次いで、中間層１１と光吸収層１０を複数回繰り返し積層することで素子部２０が得られる。
【００７３】
最後に、素子部２０上に上部コンタクト層２４を積層する。上部コンタクト層２４は、ＧａＡｓを積層後にＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングする。ここでは、ＭＢＥ法を用いて作製する例を説明したが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等のその他の結晶成長方法を用いてもよい。
【００７４】
そして、得られた積層体の一部を選択的にエッチングし、下部コンタクト層２３を露出する。選択的なエッチングは、紫外線リソグラフィーを行った後に、ドライエッチング又はウェットエッチングにより行う。
【００７５】
エッチングにより分離された構造体それぞれが、赤外線検出素子を構成する。これらの赤外線検出素子を複数配列することで赤外線検出器が得られる。
【００７６】
上部電極２５及び下部電極２６は、それぞれリフトオフ法によって形成できる。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離等の工程を含む。
【００７７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００７８】
（実施例１）
実施例１として図１の構成の赤外線検出素子を準備した。光吸収層１０の積層数は１０層とした。また光吸収層１０の構成は図２の構成のものを用いた。下部バリア層１５及び上部バリア層１７は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを用い、厚みを１ｎｍとした。また下地層１４及びキャップ層１６は、ＧａＡｓを用い、厚みを１〜１．５ｎｍとした。量子ドット１２Ａは、下部直径２０ｎｍ、上部直径１４ｎｍ、高さ４．５ｎｍの円錐台形とした。量子ドット１２Ａの組成は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとしｘの範囲を変更した。さらに、量子井戸層１３は、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓを用い、厚みを５．７ｎｍとした。
【００７９】
そして作製した赤外線検出器の受光波長に対する受光感度を測定した。図７は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで構成される量子ドットのピーク波長λｐと赤外線検出素子の受光感度との関係を示した図である。
【００８０】
図７に示すように、量子ドットのピーク波長λｐが大きくなると、受光感度が低下することが確認された。つまり、大気の窓の中では、ピーク波長λｐが８μｍに近づくにつれ、赤外線検出素子１００の受光感度は高まっている。
【００８１】
本実施形態にかかる赤外線検出素子１００は、Ｉｎ組成比ｘ及び構造を最適化することで、感度スペクトルのピーク波長λｐを８μｍ以上１０μｍ以下としている。すなわち、赤外線検出素子１００は赤外線の透過率の高い大気の窓の中でも最も受光感度の高い領域を利用できる。
【００８２】
図８は、図７における検討で検出した赤外線の受光感度と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓのＩｎ組成比ｘと、ピーク波長λｐと、の関係を一つのグラフにまとめたものである。
【００８３】
図８に示すように、Ｉｎ組成比ｘが０．４５≦ｘ≦０．５０の場合にピーク波長λｐは８．１μｍ≦λｐ≦９．４μｍを満たした。またこの際の受光感度Ｒは、１６．９（４０％）≦Ｒ≦４１．８％と高い受光感度を示した。
【符号の説明】
【００８４】
１０：光吸収層
１１：中間層
１２：量子ドット層
１２Ａ：量子ドット
１３：量子井戸層
１４：下地層
１５：下部バリア層
１６：キャップ層
１７：上部バリア層
２０：素子部
２１：半導体基板
２２：緩衝層
２３：下部コンタクト層
２４：上部コンタクト層
２５：上部電極
２６：下部電極
２７：電圧源
２８：電流計
１００：赤外線検出素子
Ｌ：赤外線
λｐ：ピーク波長
【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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