(57)【要約】【課題】本発明は、暗電流が流れることを抑制することができ、Ｓ／Ｎ比が高い光検知素子を提供する。【解決手段】本発明の光検知素子は、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備え、前記ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備え、
前記ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする光検知素子。
【請求項２】
前記ナノワイヤは、前記量子ドットと第１障壁層とが積層された構造のコア領域と、前記コア領域の側面を覆う第２障壁層を有するシェル領域とを備える請求項１に記載の光検知素子。
【請求項３】
前記シェル領域は、第２障壁層を覆う第３障壁層を備え、
第１障壁層および第２障壁層は、同じ材料からなり、
第３障壁層は、第２障壁層の材料よりもバンドギャップの大きい材料からなる請求項２に記載の光検知素子。
【請求項４】
前記半導体層は、第１導電型の半導体材料からなり、
第３障壁層は、第２導電型の半導体材料からなる請求項３に記載の光検知素子。
【請求項５】
前記コア領域の直径は、第２障壁層の厚さよりも大きい請求項２〜４のいずれか１つに記載の光検知素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検知することができる量子ドット型光検知素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。量子ドット型光検知素子では、熱放射を検知することができるため、夜間において画像を撮影することが可能になる。
図９は、従来のプレーナー型の量子ドット型光検知素子の概略断面図である。従来の量子ドット型光検知素子では、障壁層１０４に囲まれた量子ドット１１０に受光面電極１０２と裏面電極１１２とにより電圧を印加できるように構成されている。量子ドット１１０の量子準位には、受光面電極１０２により電子が供給される。そして、この電子が赤外線により障壁層１０４の伝導帯に励起され、この励起された電子が裏面電極１１２に流れることにより生じる光電流１１５を検出する。このことにより、量子ドット型光検知素子は、赤外線を検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１４７１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の量子ドット型光検知素子では、量子ドットが障壁層中に点在しているため、受光面電極から障壁層に供給された電子が量子ドットに供給されずに裏面電極へと流れる場合がある。このような電流は、光検知素子が受光する光量に関係なく流れるため、ノイズを発生させる暗電流となる。このため、従来の量子ドット型光検知素子では、Ｓ／Ｎ比（信号量とノイズ量の比）が小さくなるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、暗電流が流れることを抑制することができ、Ｓ／Ｎ比が高い光検知素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備え、前記ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする光検知素子を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備えるため、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、ナノワイヤの一方の端と他方の端との間に電位差を生じさせることができる。
本発明によれば、ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有するため、プレーナー型構造に比べて、量子ドットナノワイヤは障壁層の体積に対する量子ドット体積の割合（もしくは、図１の破線Ａ−Ａのように切断した場合における、障壁層の断面積に対する量子ドットの断面積の割合）が著しく高まり、第１または第２電極からナノワイヤに供給された電子が量子ドットに供給される割合を高くすることができる。また、量子ドットが受光することにより、量子ドット中の電子は光励起され光電流を生じさせるため、第１電極と第２電極との間に流れる電流中の光電流の割合を高くすることができる。このことにより、第１電極と第２電極との間に暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
本発明によれば、ナノワイヤが量子ドットを有するため、量子ドットのサイズや材料を変更することにより、量子ドットのバンドギャップを変更することができる。このことにより、光電流を生じさせる光の波長を容易に調整することができる。
本発明によれば、量子ドットをナノワイヤ中に設けるため、量子ドットのサイズの制御性が高い。このため、光検知素子が複数の量子ドットを有する場合、複数の量子ドットを均一なサイズとすることができる。このことによって、光検知素子の吸収波長の広がりを小さくすることができ、検知したい極狭い波長域の光のみを検知することが可能になる。また、量子ドットサイズの制御性を利用し複数種類のサイズの量子ドットを形成することで、２種類以上の波長域の光を同時に検出（多波長検出）したり、波長域幅の広い光を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の破線Ａ−Ａにおける光検知素子の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の光検知素子の光検知機構を説明するためのバンド図である。
【図４】本発明の一実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の一実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図である。
【図６】図５の破線Ｃ−Ｃにおける光検知素子の概略断面図である。
【図７】本発明の一実施形態の光検知素子の製造方法の説明図である。
【図８】（ａ）は製造した量子ドットナノワイヤの電子顕微鏡写真であり、（ｂ）は（ａ）の破線で示した範囲Ｄの拡大写真である。
【図９】従来の量子ドット型光検知素子の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の光検知素子は、平坦な表面を有する半導体層と、前記半導体層の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤと、前記半導体層に電気的に接続した第１電極と、前記ナノワイヤの先端に電気的に接続した第２電極とを備え、前記ナノワイヤは、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドットと複数の第１障壁層とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明において、量子ドットとは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の直径または高さを有する半導体微粒子である。
本発明において、障壁層とは、量子ドットを構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドットの周りのポテンシャル障壁を形成する。
【００１０】
本発明の光検知素子において、前記ナノワイヤは、前記量子ドットと第１障壁層とが積層された構造のコア領域と、前記コア領域の側面を覆う第２障壁層を有するシェル領域とを備えることが好ましい。
このような構成によれば、コア領域の側面を安定化することができ、コア領域の表面における表面再結合による電子の消失を抑制することができる。
本発明の光検知素子において、前記シェル領域は、第２障壁層を覆う第３障壁層を備え、第１障壁層および第２障壁層は、同じ材料からなり、第３障壁層は、第２障壁層の材料よりもバンドギャップの大きい材料からなることが好ましい。
シェル領域が第３障壁層を備えることにより、第２障壁層の側面における表面再結合による電子の消失を抑制することができる。また、第１障壁層および第２障壁層が同じ材料からなることにより、ナノワイヤのコア領域の結晶性を高くすることができる。さらに第３障壁層が第２障壁層の材料よりもバンドギャップの大きい材料からなることにより、第３障壁層に暗電流が流れることを抑制することができる。
【００１１】
本発明の光検知素子において、前記半導体層は、第１導電型の半導体材料からなり、第３障壁層は、第２導電型の半導体材料からなることが好ましい。
このような構成によれば、第３障壁層に暗電流が流れることを抑制することができる。
本発明の光検知素子において、前記コア領域の直径は、第２障壁層の厚さよりも大きいことが好ましい。
このような構成によれば、第１または第２電極からナノワイヤに供給された電子が量子ドットに供給される割合を高くすることができる。
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１３】
光検知素子の構成および製造方法
図１、４、５は本実施形態の光検知素子の構成を示す概略断面図であり、図２は、図１の破線Ａ−Ａにおける光検知素子の概略断面図である。図６は、図５の破線Ｃ−Ｃにおける光検知素子の概略断面図である。
【００１４】
本実施形態の光検知素子２０は、平坦な表面を有する半導体層２と、半導体層２の表面から実質的に垂直方向に伸びる少なくとも１つの細長いナノワイヤ４と、半導体層２に電気的に接続した第１電極１０と、ナノワイヤ４の先端に電気的に接続した第２電極１２とを備え、ナノワイヤ４は、半導体からなり、かつ、少なくとも１つの量子ドット５と複数の第１障壁層６とが長さ方向に交互に積層された構造を有することを特徴とする。
また、本実施形態の光検知素子２０は、マスク層１３、第２障壁層１５、第３障壁層１６、絶縁層１４などを備えることができる。
以下、本実施形態の光検知素子２０について説明する。
【００１５】
１．光検知素子
光検知素子２０は、ナノワイヤ４中の量子ドット５が受光する光を検知する素子である。光検知素子２０は、撮像素子であってもよく、受光センサであってもよい。また、光検知素子２０が検知する光は、赤外線であってもよく、可視光であってもよい。
【００１６】
２．半導体層、ナノワイヤ、量子ドット、障壁層
半導体層２は、半導体からなる層であり、半導体基板であってもよく、基板上に形成された薄膜または厚膜であってもよい。半導体層２は、その表面上からナノワイヤ４が伸びるように設けられる。このことにより、半導体層２を介してナノワイヤ４に電圧を印加することが可能になる。
また、半導体層２は、ナノワイヤ４と同じ結晶構造または近い結晶構造を有することができる。このことにより半導体層２の表面上にナノワイヤ４を成長させることが可能になる。また、半導体層２は単結晶構造を有してもよい。また、半導体層２の材料は、ｎ型半導体またはｐ型半導体とすることができる。このことにより、半導体層２の導電率を高くすることができ、効率よくナノワイヤ４に電圧を印加することが可能になる。
【００１７】
ナノワイヤ４は、半導体からなり、半導体層２の表面上から実質的に垂直方向に伸びる。このことにより、ナノワイヤ４の一方の端と他方の端との間に電圧を印加することが可能になる。
ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層された柱状構造を有してもよい。また、ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層されたコア領域１７と、コア領域１７の側面を覆うように設けられたシェル領域１８とからなってもよい。なお、本明細書では、ナノワイヤ４がシェル領域１８を有さない場合でも、量子ドット５と第１障壁層６とが積層された柱状構造をコア領域１７という。
ナノワイヤ４は、例えば、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下の直径を有することができる。また、ナノワイヤ４のコア領域１７は、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上６０ｎｍ以下の直径を有することができる。
また、光検知素子２０は、半導体層２の表面から伸びる複数のナノワイヤ４を備えてもよい。このことにより、光検知素子２０に含まれる量子ドット５の数を増やすことができ、光検知素子２０の感度を高くすることができる。特に、マスク層の開口部にナノワイヤ４のコア領域１７を選択的に形成する光検知素子２０では、マスク層の開口部の面内密度や直径等を制御可能であるため、ナノワイヤ４の面内密度を非常に精度良く制御できる。例えば、ナノワイヤ４は、半導体層２上に４本／μｍ2以上１０００本／μｍ2以下の面内密度で設けることが好ましく、１６本／μｍ2以上１００本／μｍ2以下の面内密度で設けることがさらに好ましい。
また、半導体層２の表面上に複数のナノワイヤ４を設ける場合、複数のナノワイヤ４の直径は同じであってもよく、異なってもよい。
【００１８】
ナノワイヤ４は、少なくとも１つの量子ドット５と複数の第１障壁層６とが交互に積層された構造（コア領域）を有する。また、量子ドット５は２つの第１障壁層６に挟まれるように設けられる。また、量子ドット５を構成する材料は、第１障壁層６を構成する材料よりも狭いバンドギャップを有する。
このような構成によると、ナノワイヤ４中の量子ドット５を設けた部分を量子閉じ込め構造とすることができる。また、量子ドット５中の電子を光学遷移（バンド間遷移またはサブバンド間遷移）させることにより、ナノワイヤ４に光電流を流すことが可能になり、この光電流を検出することにより、光検知素子２０が受光した光を検知することが可能になる。
また、量子ドット５の材料は、ｉ型半導体とすることができる。このことにより、ナノワイヤ４にノイズとなる暗電流が流れることを抑制することができる。
【００１９】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の光検知素子２０の光検知機構を説明するためのバンド図である。これらのバンド図は、第１電極１０と第２電極１２との間に電圧を印加した場合における図１の一点鎖線Ｂ−Ｂの一部におけるバンド図である。量子ドット５は、ナノワイヤ４に量子的に閉じ込められ、伝導帯側の量子準位と価電子帯側の量子準位とを有する。また、第１障壁層６の伝導帯の下端のエネルギー準位および価電子帯の上端のエネルギー準位は、印加電圧により傾斜している。
図３（ａ）に示した第１の光検知機構では、第１電極１０または第２電極１２から第１障壁層６の伝導帯に電子が供給され、この電子は、第１障壁層６の伝導帯を流れ、量子ドット５の伝導帯側の量子準位に供給される。量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子は、量子準位と第１障壁層６の伝導帯下端よりも上の準位とのエネルギー差に対応するエネルギーの光を受光すると、第１障壁層６の伝導帯に光学遷移（サブバンド間遷移）し、第１電極１０または第２電極１２へ光電流が流れる。この光電流を検出することにより、吸収した光を検知することができる。
第１の光検知機構により光を検知する場合、検知したい光のエネルギーと、量子閉じ込め構造により吸収可能なエネルギーとが実質的に同じになるように第１障壁層６の材料、量子ドット５の材料、ナノワイヤ４（量子ドット５）の直径ｄ１、量子ドットの厚さｄ４、ｄ５、ｄ６を設定することができる。
【００２０】
図３（ｂ）に示した第２の光検知機構では、量子ドット５が、量子ドット５のバンドギャップ（量子ドット５の伝導帯側の量子準位と価電子帯側の量子準位とのエネルギー差）に対応するエネルギーの光を受光すると、価電子帯側の量子準位の電子が伝導帯側の量子準位に光学遷移する（バンド間遷移）。この伝導帯側の量子準位の電子を、トンネル電流または熱励起などにより第１障壁層６の伝導帯へと遷移させると、第１電極１０と第２電極１２との間に印加した電圧により光電流が流れる。この光電流を検出することにより、量子ドット５のバンドギャップに対応するエネルギーの光を検知することができる。
なお、第１電極１０と第２電極１２との間に印加する電圧を大きくすることにより、量子ドット５の伝導帯側の量子準位と第１障壁層６の伝導帯との間の三角ポテンシャル障壁の障壁幅を狭くすることができ、量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子をトンネル電流により第１障壁層６の伝導帯へ遷移させることができる。
【００２１】
図３（ｃ）に示した第３の光検知機構では、量子ドット５に量子ドット５のバンドギャップに対応するエネルギーの光（キャリア供給励起光）を照射し、量子ドット５の価電子帯側の量子準位の電子を伝導帯側の量子準位に光学遷移（バンド間遷移）させる。量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子は、量子準位と第１障壁層６の伝導帯下端よりも上の準位とのエネルギー差に対応するエネルギーの光を受光すると、第１障壁層６の伝導帯に光学遷移（サブバンド間遷移）し、印加電圧により第１電極１０または第２電極１２へ光電流が流れる。この光電流を検出することにより、吸収した光を検知することができる。
第３の光検知機構により光を検知する場合、量子ドット５の伝導帯側の量子準位の電子が、トンネル電流により第１障壁層６の伝導帯へ遷移しないように第１および第２電極１０、１２に印加する電圧を調整する。
なお、第１〜第３の光検知機構において、バンド間遷移の光吸収波長域と、サブバンド間遷移の光吸収波長域は、重複しないことが好ましい。このことにより、バンド間遷移の光吸収波長域の光およびサブバンド間遷移の光吸収波長域の光のうち、どちらか一方を検知すること又はこの両方を同時に検知することが可能になる。バンド間遷移の光吸収波長域の光と、サブバンド間遷移の光吸収波長域の光を同時に検出するためには、トンネル電流が生じない電界下（比較的低い電界下）において、電子がバンド間遷移しさらにこの電子がサブバンド間遷移する２段階遷移により生じる光吸収を検知すればよい。
【００２２】
ナノワイヤ４は複数の量子ドット５を有してもよい。ナノワイヤ４は、例えば、図４に示した光検知素子２０のように、複数の量子ドット５を有することができる。
ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有することにより、光検知素子２０に含まれる量子ドット５の数を増やすことができ、光検知素子２０の感度を高くすることができる。
ナノワイヤ４が有する量子ドット５の数は、１以上１０以下であることが好ましい。このことにより、量子ドット５から第１障壁層６の伝導帯に光励起された電子が、他の量子ドット５に再び落ち込むことを抑制することができ、光電流が低下することを抑制することができる。
ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有する場合、各量子ドット５の間には第１障壁層６を設ける。このことにより、量子ドット５内の量子準位をその両側の第１障壁層により閉じ込めることができる。
また、ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有する場合、複数の量子ドット５の伝導帯側の量子準位は中間エネルギーバンドを形成してもよい。
【００２３】
量子ドット５は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さ、さらに好ましくは、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下の厚さを有することができる。このような構成とすると、量子ドット５の量子準位を量子ドットと障壁層から形成される閉じ込めポテンシャル内に閉じ込めることができる。なお、量子ドット５の伝導帯側の量子準位と価電子帯側の量子準位のエネルギー準位は、量子ドット５の直径ｄ１または量子ドット５の厚さｄ４、ｄ５、ｄ６により変化するため、光検知素子２０の検知対象の光の波長域に応じて量子ドット５の直径ｄ１または量子ドット５の厚さを調整することができる。量子ドット５のサイズは、例えば、直径４０ｎｍ、厚さ７ｎｍとすることができる。
ナノワイヤ４が複数の量子ドット５を有する場合、各量子ドット５の厚さｄ４、ｄ５、ｄ６は、同じであってもよく、異なってもよい。各量子ドット５の厚さを同じとすることで所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を狭くすることができる。また、各量子ドット５の厚さを異なる厚さとすることにより、所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を広げることができる。
量子ドット５の直径（すなわちナノワイヤ４のコア領域の直径）は光検知素子２０面内において同一の直径であっても良く、異なっても良い。各ナノワイヤ４の直径を同じとすることで所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を狭くすることができ、異なる直径とすることにより、所望の検出波長域に合わせて量子ドット５の光吸収帯域を広げることができる。
量子ドット５の直径が光検知素子２０面内で異なる場合、光検知素子２０を複数分割し、分割された領域ごとに量子ドット５の直径が異なっても良い。分割された領域ごとに電極を別々にすることで、それぞれの領域ごとに吸収波長帯域を変えることができ、多波長を同時に光検知できる。
【００２４】
第１障壁層６の材料は、ｉ型半導体であってもよい。このことにより、コア領域１７の結晶性を高くすることができ、暗電流が流れることを抑制することができる。
また、半導体層２の材料がｎ型半導体である場合、第１障壁層６または／および量子ドット５の材料は、ｎ型半導体であってもよい。このことにより、量子ドット５に電子が供給されやすくなり、光検知素子２０の性能を向上させることができる。また、ｉ型（もしくはｐ型）シェル領域１８を設けた場合、ｎ型コア領域１７のフェルミ準位をｉ型（もしくはｐ型）シェル領域１８のフェルミ準位に比べて低くすることができる。このことにより、シェル領域１８に暗電流が流れにくくなり、シェル領域１８に起因した暗電流を大きく低減することができる。第１障壁層６のドーピング濃度は、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８のドーピング濃度よりも低いことが好ましい。このことにより、過剰なドーピングに伴う暗電流の増大やドーピングに伴う第１障壁層６の結晶性や量子ドット５の結晶性の低下やドーピングに伴う暗電流の増大を抑制することができる。第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は、最大でも量子ドット密度の２倍とすることが好ましい。これは１個の量子ドット中の基底量子準位につき最大でも２個（スピンを考慮）までしか電子が存在できないため、量子ドット密度の２倍以上のドーピングを行っても量子ドットへのキャリア供給に寄与できないためである。さらにドーピングが結晶性の低下をもたらすことを考慮すれば、第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は量子ドット密度と同じにすることが好ましい。
一方で、第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度が量子ドット密度の１０％程度あれば、光検知器としての性能向上に寄与できる。
従って、好ましい第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は、
量子ドット密度×０．１≦ドーピング濃度≦量子ドット密度×２
さらに好ましい第１障壁層６または／および量子ドット５のドーピング濃度は、
量子ドット密度×０．１≦ドーピング濃度≦量子ドット密度
である。
【００２５】
ナノワイヤ４は、最も下側の第１障壁層６と半導体層２との間に第１コンタクト層７を有することができる。また、ナノワイヤ４は、最も上側の第１障壁層６と第２電極１２との間に第２コンタクト層８を有することができる。第１および第２コンタクト層７、８の材料は、半導体層２がｎ型半導体からなる場合ｎ型半導体とすることができ、半導体層２がｐ型半導体からなる場合、ｐ型半導体とすることができる。第１または第２コンタクト層７，８を設けることにより、ナノワイヤ４に効率よく光電流を流すことができる。
なお、第１コンタクト層７および第２コンタクト層８は、省略することができる。
【００２６】
半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料（第１障壁層６、量子ドット５、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８、第２障壁層１５または第３障壁層１６の材料）は、III-V族化合物半導体、II-VI族化合物半導体、IV族半導体などを用いることができる。また、半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料は、混晶半導体材料であってもよい。例えば、半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料には、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＧｅなど、これらの半導体の混晶半導体材料、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＳｂzＡｓ1-z、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰまたはＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮなどを用いることができる。特に、半導体層２の材料又はナノワイヤ４の材料には、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰまたはこれらの半導体の混晶半導体材料であることが好ましい。このことにより、ナノワイヤ４の結晶性を高くすることができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。また、第２障壁層１５または第３障壁層１６の材料のみ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰまたはこれらの半導体の混晶半導体材料としても、表面再結合による電子の消失を抑制する効果は大きい。
量子ドット５の材料または第１障壁層６の材料を混晶半導体とした場合、混晶半導体の元素割合を適宜変更することにより、量子ドット５の量子エネルギー準位を変更したり、第１障壁層６のバンドギャップを変えたり、光検出波長域を変えたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット５と第１障壁層６の価電子帯上端のエネルギー差）をゼロにしたりすることができる。
【００２７】
半導体層２、第１障壁層６、量子ドット５、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８の材料は、同じ結晶構造又は近い結晶構造を有する材料とすることができる。このことにより、半導体層２上に結晶欠陥の少ないナノワイヤ４を形成することができる。
例えば、半導体層２にｎ型ＧａＡｓ基板を用いる場合、第１コンタクト層７の材料はｎ型ＧａＡｓとすることができ、第１障壁層６の材料はｉ型ＧａＡｓとすることができ、量子ドット５の材料はｉ型ＩｎＧａＡｓまたはｉ型ＩｎＡｓとすることができ、第２コンタクト層８の材料はｎ型ＧａＡｓとすることができる。
【００２８】
ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層されたコア領域１７のみからなってもよい。このような構造とすることにより、第１または第２電極１０、１２からナノワイヤ４に供給された電子が量子ドット５に供給される割合を高くすることができる。このことにより、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
なお、ナノワイヤ４がシェル領域１８を有さない場合、コア領域１７の側壁を覆う保護膜を設けることができる。このことにより、ナノワイヤ４のコア領域１７を保護膜により保護することができる。なお、保護膜の材料は、絶縁性材料とすることができる。また、ナノワイヤ４がシェル構造１８を有さない場合、コア領域１７の表面はチオール処理などによりパッシベーション処理されることが好ましい。このことにより、コア領域１７の表面の結晶欠陥やダングリングボンドを減少させることができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。
【００２９】
ナノワイヤ４は、量子ドット５と第１障壁層６とが積層されたコア領域１７と、コア領域１７の側面を覆うように設けられたシェル領域１８とからなってもよい。シェル領域１８の材料は、コア領域１７の材料と結晶構造が同じ材料又は近い材料とすることができる。このことにより、コア領域１７の表面における表面再結合により電子が消失することを抑制することができる。
シェル領域１８は、図１、２、４に示した光検知素子２０のようにコア領域１７の側面を覆う第２障壁層１５から構成されてもよい。このことにより、コア領域１７の表面における表面再結合により電子が消失することを抑制することができる。また、ナノワイヤ４がシェル領域１８を有し、シェル領域１８がバンドギャップの小さい第２障壁層１５とバンドギャップの大きい第３障壁層１６を有する場合、第１電極１０と第２電極１２との間に量子ドット５を経由せずに暗電流がシェル領域１８、特にバンドギャップの小さい第２障壁層１５を流れ得るが、第２障壁層１５の厚さを薄くすることにより、暗電流の電流量を少なくすることができる。
【００３０】
量子ドット５の直径ｄ１（コア領域１７の直径）は、第２障壁層１５の厚さｄ２よりも大きいことが好ましい。このような構成によると、図２に示したようなナノワイヤ４の断面において、量子ドット５の面積を広くすることができ、量子ドット５を経由せずに第２障壁層１５を流れる電流量を小さくすることができる。このことにより、暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を高くすることができる。例えば、量子ドット５の直径ｄ１は、４０ｎｍとすることができ、第２障壁層１５の厚さｄ２は、２０ｎｍとすることができる。
【００３１】
第２障壁層１５の材料は、第１障壁層６の材料と同じであってもよい。このことにより、第２障壁層１５によりコア領域１７の表面を安定化することができる。また、コア領域１７の結晶性を向上させることができ、光検知素子２０の性能を向上させることができる。
また、第２障壁層１５の材料は、ｉ型半導体であってもよい。このことにより、量子ドット５や第１障壁層６に不純物が混入し結晶性が低下することを抑制することができ、光検知素子２０の性能が低下することを抑制することができる。
また、第２障壁層１５の材料は、半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８と逆の導電型の半導体であってもよい。例えば、半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８がｎ型半導体であり、コア領域１７の量子ドット５や第１障壁層６がｉ型半導体、第２障壁層１５がｐ型半導体である場合、第２障壁層１５のポテンシャルが半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８、コア領域１７に対して持ちあがることで、第２障壁層１５に暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を高くすることができる。半導体層２、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８がｐ型半導体であれば、第２障壁層１５をｎ型半導体とすることができる。
【００３２】
第２障壁層１５の材料は、伝導帯の下端のエネルギー準位が第１障壁層６よりも大きい材料であってもよい。このような構成とすると、第２障壁層１５よりもコア領域１７のほうが電流が流れやすくなる。このことにより、第２障壁層１５に暗電流が流れることを抑制することができ、光検知素子２０のＳ／Ｎ比を高くすることができる。例えば、第１障壁層６の材料がＧａＡｓである場合、第２障壁層１５の材料はＡｌＧａＡｓやＡｌＩｎＧａＰとすることができる。
第２障壁層１５の材料は、バンドギャップが第１障壁層６よりも大きい材料であってもよい。このような構成によれば、第２障壁層１５に暗電流が流れることを抑制することができる。このため、第２障壁層１５の厚さｄ２を厚くすることができ、コア領域１７を十分に保護することができる。
また、第２障壁層１５の厚さｄ２は、量子ドット５の直径ｄ１（コア領域の直径）の５倍以下の厚さであることが好ましい。このような構成によれば、第２障壁層１５に結晶欠陥等に起因するバックグラウンド電流が流れることを抑制することができ、暗電流が流れることを抑制することができる。例えば、ｄ１＝４０ｎｍ、ｄ２＝１００ｎｍとすることができる。
なお、シェル領域１８が第３障壁層１６を有さない場合、第２障壁層１５の表面はチオール処理などによりパッシベーション処理されることが好ましい。このことにより、第２障壁層１５の表面の結晶欠陥を減少させることができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。
【００３３】
シェル領域１８は、図５、６に示した光検知素子２０のようにコア領域１７の側面を覆う第２障壁層１５と、第２障壁層１５の側面を覆う第３障壁層１６とから構成されてもよい。この場合、第２障壁層１５の材料は、第１障壁層６と同じｉ型半導体とすることができる。このことにより、量子ドット５や第１障壁層６に不純物が混入することを抑制することができ、光検知素子２０の性能が低下することを抑制することができる。また、コア領域１７の結晶性を向上させることができ、光検知素子２０の性能を向上させることができる。
また、第２障壁層１５の材料が第１障壁層６と同じ場合、暗電流が流れることを抑制するために、第２障壁層１５の厚さはできるだけ薄いことが好ましい、例えば、第２障壁層１５の厚さは、量子ドット５の直径よりも小さいことが好ましい。また、第３障壁層１６を設けると、第２障壁層１５の厚さをより薄くすることが可能である。
【００３４】
第３障壁層１６の材料は、第２障壁層１５の材料よりもバンドギャップの大きい材料とすることができる。このことにより、第３障壁層１６を流れる暗電流を抑制できると共に、第２障壁層１５の側面における表面再結合に起因した電子の消失を抑制することができる。特に、第３障壁層１６にＡｌＩｎＧａＰを用いるとその効果が大きい。また、第３障壁層１６を設けることで、第２障壁層１５の厚さをより薄くすることができ、第２障壁層１５を流れる暗電流を抑制することができる。また、第３障壁層１６の材料は、半導体層２と逆の導電型の半導体であってもよい。このような第３障壁層１６を設けることにより、第３障壁層１６を流れる暗電流をより一層抑制することができる。
例えば、量子ドット５の材料にＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓ、第１障壁層６の材料および第２障壁層１５の材料にＧａＡｓ、第３障壁層１６の材料にＡｌＧａＡｓを用いることができる。このような構成によると、第２障壁層１５を設けることにより量子ドット５の結晶性を向上させることができる。また、第３障壁層１６を設けることにより、第２障壁層１５の側面の結晶欠陥やダングリングボンドを減らすことができ、表面再結合による電子の消失を抑制することができる。
また、第３障壁層１６の材料にＡｌＧａＡｓを用いた場合、第３障壁層１６の側面を覆うようにさらにＧａＡｓ層等の保護膜を設けることが好ましい。このことにより、Ａｌを含む第３障壁層１６の酸化等による劣化を抑制することができる。
【００３５】
第２障壁層１５と第３障壁層１６とから構成されるシェル領域１８を有する光検知素子２０において、量子ドット５の直径ｄ１（コア領域１７の直径）は、第２障壁層１５の厚さｄ２よりも大きいことが好ましい。このことにより、暗電流が流れることを抑制することができる。
また、第３障壁層１６の厚さｄ３は、第２障壁層１５の厚さｄ２よりも厚く、量子ドット５の直径ｄ１の５倍の長さよりも薄いことが好ましい。このことにより、第３障壁層１６に結晶欠陥等に起因するバックグラウンド電流が流れることを抑制することができ、暗電流が流れることを抑制することができる。
また、基板上にマスク層を形成し、アキシャル成長によりマスク層の開口パターンにナノワイヤ４のコア領域１７を形成する光検知素子２０の場合、第２障壁層１５、第３障壁層１６のマスク層側は半導体層２と直接接していない。従って、マスク層に導電率の低い材料（例えばＳｉＯ2）を用いた場合、第２障壁層１５、第３障壁層１６にキャリアが注入されたとしても、第２障壁層１５、第３障壁層１６を貫通してキャリアが流れる事はできず、コア領域１７のいずれかの場所にキャリアが落ち込むことになる。すなわち、第２障壁層１５、第３障壁層１６を流れる暗電流を著しく抑制できる。
【００３６】
３．マスク層、絶縁層
マスク層１３は、特定の方向にのみ結晶成長させるアキシャル成長によりナノワイヤ４のコア領域１７を形成する場合に設けることができる。マスク層１３は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように設けることができる。ナノワイヤ４のコア領域１７を他の方法により形成する場合、マスク層１３は省略することができる。マスク層１３の材料は、例えば、ＳｉＯ2とすることができる。
なお、マスク層１３の開口部の大きさにより、量子ドット５の径方向のサイズｄ１が決まるため、形成したい量子ドット６のサイズｄ１に応じてマスク層１３の開口部の大きさを決めることができる。マスク層１３は、量子ドットサイズ（ナノワイヤサイズ）、ナノワイヤの面内分布・面内密度等を非常に精密に制御したい場合に有効である。
絶縁層１４は、ナノワイヤ４の周りを埋める層であり、絶縁性材料からなる。絶縁層１４は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように設けることができる。絶縁層１４を設けることにより、ナノワイヤ４の形状を安定化することができ、光検知素子２０の機械的特性を向上させることができる。また、絶縁層１４を設けることにより、ナノワイヤ４に効率よく電圧を印加することができる。絶縁層１４の材料は、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂とすることができる。
【００３７】
４．第１電極、第２電極
第１電極１０は、半導体層２に電気的に接続するように設けられる。第１電極１０は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように半導体層２のナノワイヤ４が設けられた主要面の反対の主要面上に設けることができる。なお、第１電極１０と半導体層２は、電気的に接続すればよく、その間に配線や不純物半導体層などが介在してもよい。第１電極１０の材料は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕとすることができる。
第２電極１２は、ナノワイヤ４の先端に電気的に接続するように設けられる。第２電極１２は、例えば、図１に示した光検知素子２０のように、ナノワイヤ４の先端上に設けることができる。第２電極１２側から光を照射する場合、第２電極１２は、透明電極であると光の入射量の観点から好ましい。このことにより、量子ドット５が効率よく受光することができる。なお、第２電極１２とナノワイヤ４の先端は、電気的に接続すればよく、その間に配線や不純物半導体層などが介在してもよい。第２電極１２の材料は、例えば、ＩＴＯとすることができる。第２電極１２はグリッド構造としてもよく、第２電極１２が存在しない領域から光を入射させてもよい。この場合、第２電極１２の材料は、例えば、ＩＴＯ、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕとすることができる。
なお、第１電極１０からナノワイヤ４に電子が供給されてもよく、第２電極１２からナノワイヤ４に電子が供給されてもよい。
【００３８】
５．光検知素子の製造方法
光検知素子２０に含まれるナノワイヤ４のコア領域１７は、特定の方向にのみ結晶成長させるアキシャル成長により形成してもよく、障壁層と量子層とを交互に積層した後エッチングすることにより形成されてもよく（トップダウン方式）、Ａｕなどの貴金属触媒やＧａなどの自己触媒を用いたＶＬＳ（Vapor-Liquid-Solid）法により基板面からナノ構造を積み上げて結晶成長させることにより形成してもよい。
ここでは、アキシャル成長によりナノワイヤ４のコア領域１７を形成する光検知素子２０の製造方法について説明する。この製造方法では、量子ドットナノワイヤの成長場所・面内密度、隣り合う量子ドットナノワイヤ間隔、量子ドットナノワイヤ直径（すなわち量子ドット直径）、量子ドット高さ等を非常に緻密に制御できる利点を有する。
【００３９】
図７（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態の光検知素子２０の製造方法の説明図である。なお、本製造方法では、例えば、減圧ＭＯＣＶＤ成長装置を用いて結晶成長させることができる。
半導体層２には、単結晶のｎ型半導体基板を用いることができる。半導体基板２には、例えば、ＧａＡｓ（１１１）Ｂ面を主要面とするｎ型ＧａＡｓ基板を用いることができる。
まず、図７（ａ）のように、半導体基板２上にマスク層１３を形成する。例えば、マスク層１３は、半導体基板２上に膜厚１０ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し、ＳｉＯ2膜上にレジストを形成しＥＢ描画によりにレジストに開口パターンを形成することができる。マスクの開口パターンの直径や面密度は自由に設定することができる。その後、エッチングによりＳｉＯ2膜の一部を除去しＳｉＯ2膜に開口のパターンを形成することにより、半導体基板２上にマスク層１３を形成することができる。マスク層１３に形成した開口パターンがナノワイヤ４のコア領域１７の直径（量子ドット５の直径ｄ１）と実質的に同じになる。従って、形成したい量子ドット５のサイズｄ１に応じてマスク層１３の開口部の大きさを決めることができる。例えば、マスク層１３には、直径４０ｎｍの円状開口を５００ｎｍの間隔で複数形成することができる。
なお、図７（ａ）では、半導体基板２の裏面上に第１電極１０を設けているが、第１電極１０は、ナノワイヤ４を形成する前に形成してもよく、ナノワイヤ４を形成した後に形成してもよい。
【００４０】
次に、図７（ｂ）（ｃ）のように、半導体基板２上にアキシャル成長によりナノワイヤ４のコア領域１７を結晶成長させる。まず、減圧ＭＯＣＶＤ成長装置を用いて、マスク層１３を形成した半導体基板２上に第１コンタクト層７、第１障壁層６、量子ドット層５、第１障壁層６、第２コンタクト層８をこの順で結晶成長させることができる。第１コンタクト層７、第１障壁層６、量子ドット層５、第１障壁層６、第２コンタクト層８の材料には、半導体基板２の結晶構造と同じ結晶構造又は近い結晶構造を有する材料を用いることができる。このことにより、半導体基板２の表面上にナノワイヤ４のコア領域１７をエピタキシャル成長させることができる。また、ナノワイヤ４のコア領域１７が半導体基板２の表面に垂直な方向にのみ結晶成長するように成膜条件を設定する。マスク層１３上にはエピタキシャル結晶成長しないため、図７（ｃ）のように、マスク層１３の開口部に半導体基板２から実質的に垂直に伸びるナノワイヤ４のコア領域１７を形成することができる。ナノワイヤ４のコア領域１７を結晶成長させる成膜条件は、例えば、半導体基板２の温度を７５０℃とし、チャンバー内圧力を７６Ｔｏｒｒとすることができる。また、例えば、第１コンタクト層７、第２コンタクト層８の材料はｎ型ＧａＡｓとすることができ、第１障壁層６の材料はｉ型ＧａＡｓとすることができ、量子ドット層５の材料はＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓとすることができ、ｎｉｎ型量子ドット光検知素子を形成できる。障壁層６もしくは量子ドット層５にドーピングを行えば、ｎｎ-ｎ型量子ドット光検知素子を形成できる。
なお、図７（ｂ）（ｃ）では、半導体基板２上に１本のナノワイヤ４のコア領域１７を形成しているが、半導体基板２上に複数本のナノワイヤ４のコア領域１７を形成することができる。また、図７（ｂ）（ｃ）では、ナノワイヤ４のコア領域１７中に１つの量子ドット５を形成しているが、ナノワイヤ４のコア領域１７中に複数の量子ドット５を形成してもよい。
【００４１】
次に、図７（ｄ）のように、ナノワイヤ４のコア領域１７の側面上にシェル領域１８を構成する第２障壁層１５を結晶成長させる。第２障壁層１５の材料には、ナノワイヤ４のコア領域１７の結晶構造と同じ結晶構造又は近い結晶構造を有する材料を用いることができる。このことにより、ナノワイヤ４のコア領域１７の表面上に第２障壁層１５をエピタキシャル成長させることができる。また、ナノワイヤ４のコア領域１７の側面上に第２障壁層１５が結晶成長するように成膜条件を設定する。例えば、高温成長であればコア領域１７の頂上に（コア領域の長さが延びる方向に）結晶成長が進むが、低温成長であればコア領域１７の側面上に結晶成長が進む。このことにより、コア−シェル構造を有するナノワイヤ４を半導体基板２上に形成することができる。
なお、第２障壁層１５を形成した後に、第３障壁層１６を形成してもよい。さらに、第３障壁層１６を形成した後に保護膜を形成してもよい。
【００４２】
次に、図７（ｅ）のように、ナノワイヤ４の周りに絶縁層１４を形成する。絶縁層１４の材料には、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂を用いることができる。
次に、図７（ｆ）のように、絶縁層１４の上部をエッチングにより除去し、ナノワイヤ４の上部を露出させる。図７（ｆ）ではナノワイヤと絶縁層１４が同程度の選択比でエッチングされる様子を模式的に記載しているが、絶縁層１４が全てなくならない範囲内において優先的に（選択比が高く）エッチングされても良い。
次に、図７（ｇ）のように、ナノワイヤ４上および絶縁層１４上に第２電極１２を形成し、本実施形態の光検知素子２０を製造することができる。
このようにして製造した量子ドットナノワイヤの電子顕微鏡写真を図８（ａ）（ｂ）に示す。図８（ａ）（ｂ）は絶縁層１４や第２電極１２の形成前の写真である。コア領域１７の側面上にシェル領域１８を構成する第２障壁層１５を結晶成長しており、その構造が形成されていることが図８（ｂ）からわかる。
【００４３】
このようなアキシャル成長手法では、非常に精密に量子ドットサイズを制御することができる。複数の量子ドットを均一なサイズとすることで、光検知素子の吸収波長の広がりを小さくすることができ、検知したい極狭い波長域の光のみを検知することが可能になる。逆に、量子ドットサイズの制御性を利用し複数種類の量子ドットサイズを形成することで、２種類以上の波長域の光を同時に検出したり、波長域幅の広い光を検知することができる。
例えば、１本のナノワイヤの上部領域と下部領域において高さが異なる複数種類の量子ドットを形成することで、検出波長域を広げることができる。
また、マスク層の面内に複数種類の領域を設け、それぞれの領域においてマスク層の開口部の大きさを変えることで、コア領域の直径、すなわちサイズ（直径）が異なる複数種類の量子ドットを形成することができる。各々の領域ごとに別々に電極を形成すれば、多波長検出が可能となる。
このような光検知素子を用いれば、例えば絶対温度の測定や火災検知に応用できる。絶対温度や火災検知の測定は、物体からの放射や火災特有の波長域から２種類以上の波長を検出する事で、確実な検知となる。本発明は、上記のような多波長検出に応用することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
２：半導体層（半導体基板）    ４：ナノワイヤ    ５：量子ドット    ６：第１障壁層    ７：第１コンタクト層    ８：第２コンタクト層    １０：第１電極    １２：第２電極    １３：マスク層    １４：絶縁層    １５：第２障壁層    １６：第３障壁層    １７：コア領域    １８：シェル領域    ２０：光検知素子
１０２：受光面電極    １０４：障壁層    １０６：受光面側コンタクト層    １０７：裏面側コンタクト層    １１０：量子ドット    １１２：裏面電極    １１５：光電流    １１８：暗電流
【図１】
2015073023.tif 000003
【図２】
2015073023.tif 000004
【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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