(57)【要約】  赤外線検出器は、半導体基板（１）と、半導体基板（１）上に形成された第１のコンタクト層（３）と、第１のコンタクト層（３）上に形成された光吸収層（４）と、光吸収層（４）上に形成された第２のコンタクト層（５）と、第１のコンタクト層（３）と第２のコンタクト層（５）との間に電圧を印加する電圧源（８）と、を備える。光吸収層（４）は、第１の中間層（４１Ａ）、量子ドット層（４２）、第２の中間層（４１Ｂ）、電流ブロック層（４３）、第３の中間層（４１Ｃ）、電子ドープ層（４４）の順で積層された部分を、少なくとも１つ備える。電流ブロック層（４３）の伝導帯の底のエネルギーは中間層（４１）の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、第１の中間層（４１Ａ）の厚さが、第３の中間層（４１Ｃ）の厚さよりも厚い。これにより、信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１のコンタクト層と、
前記第１のコンタクト層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第２のコンタクト層と、
前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する電圧源と、
を備え、
前記光吸収層は、第１の中間層、量子ドット層、第２の中間層、電流ブロック層、第３の中間層、電子ドープ層の順で積層された部分を、少なくとも１つ備え、
前記電流ブロック層の伝導帯の底のエネルギーは前記中間層の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、前記第１の中間層の厚さが、第３の中間層の厚さよりも厚い、赤外線検出器。
【請求項２】
前記赤外線検出器は、
前記量子ドット層と前記第２の中間層との間に、キャップ層が設けられている、請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記赤外線検出器は、前記電圧源を用いて、前記第１のコンタクト層より第２のコンタクト層の電位を低くした状態で動作し、
前記電流ブロック層は、赤外線入射がなくとも生じる暗電流を、赤外線入射により生じる光電流よりも高い確率で遮断する、請求項１または２記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記第１の中間層の厚さが、第３の中間層の厚さよりも５倍以上厚いことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記第２の中間層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１のコンタクト層と、
前記第１のコンタクト層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第２のコンタクト層と、
前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する電圧源と、
を備え、
前記光吸収層は、第１の中間層、電子ドープ層、第２の中間層、電流ブロック層、第３の中間層、量子ドット層の順で積層された部分を、少なくとも１つ備え、
前記電流ブロック層の伝導帯の底のエネルギーは前記中間層の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、前記第１の中間層の厚さが、前記第２の中間層の厚さよりも厚い、赤外線検出器。
【請求項７】
前記赤外線検出器は、前記電圧源を用いて、前記第１のコンタクト層より第２のコンタクト層の電位を高くした状態で動作し、
前記電流ブロック層は、赤外線入射がなくとも生じる暗電流を、赤外線入射により生じる光電流よりも高い確率で遮断する、請求項６記載の赤外線検出器。
【請求項８】
前記第１の中間層の厚さが、第２の中間層の厚さよりも５倍以上厚いことを特徴とする、請求項６または７記載の赤外線検出器。
【請求項９】
前記第３の中間層の厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項６から８のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
【請求項１０】
前記第１から第３の中間層はＧａＡｓで、前記量子ドットはＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓで、電流ブロック層はＡｌＧａＡｓで構成されることを特徴とする、
請求項１から９のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線検出器に関し、特に、半導体量子ドットを利用する赤外線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱検知や、二酸化炭素や大気汚染物質の濃度測定などを目的として、赤外線検出器に対する需要が高まっている。赤外線検出器の材料や構造の候補は複数あり、その1つが光吸収層に半導体量子ドットを含む、量子ドット型赤外線検出素子（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下、「ＱＤＩＰ」と称する）である。【０００３】
ＱＤＩＰは、量子ドットの周囲が、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もつ半導体で３次元的に囲まれた構造を有する。また、量子ドットの領域に電子および正孔が強く閉じ込められている。その結果、量子ドット中に離散的なエネルギー準位が形成される。それらの準位のうち、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もつ赤外線を検知することができる。【０００４】
特許文献１には、簡易に暗電流を低減し、検知器の性能を向上させることができるようにした光検知器が開示されている。【０００５】
特許文献２には、作製プロセスが簡易であり、十分に暗電流を抑えることができ、しかも高感度の光検出を実現する光半導体装置について開示されている。【０００６】
特許文献３には、量子ドット赤外線検知器に関し、電流ブロック層を成す結晶の成長が容易であること、及び、同じく暗電流に対する電位障壁高さが高いことを両立させ、特性良好な量子ドット型赤外線検知器について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５７１９２０号
【特許文献２】特開２００８−９１４２７号公報
【特許文献３】特開２００７−２４２７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に検出器は、信号対雑音比が高いことが望ましい。
赤外線検出器において、量子ドットには予め電子をドーピングしておく必要があるが、量子ドットに捕捉されなかった電子はある確率で熱的に励起され、電流として検知される。この電流は、光入射無しで生じるため暗電流と呼ばれ、いわゆるノイズ源となる。特許文献３では、電流ブロック層を設けることで、暗電流となる熱励起電子の流れを抑制している。しかし、検出したい光電流となる光励起電子の流れも同程度抑制されてしまうため信号対雑音比を高めることができないという問題がある。
本発明の目的は、光電流よりも暗電流をより効果的に低減させ、信号対雑音比を高めた赤外線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る赤外線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第２のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する電圧源と、を備え、前記光吸収層は、第１の中間層、量子ドット層、第２の中間層、電流ブロック層、第３の中間層、電子ドープ層の順で積層された部分を、少なくとも１つ備え、前記電流ブロック層の伝導帯の底のエネルギーは前記中間層の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、前記第１の中間層の厚さが、第３の中間層の厚さよりも厚い。【００１０】
また本発明に係る赤外線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層上に形成された光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第２のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する電圧源と、を備え、前記光吸収層は、第１の中間層、電子ドープ層、第２の中間層、電流ブロック層、第３の中間層、量子ドット層の順で積層された部分を、少なくとも１つ備え、前記電流ブロック層の伝導帯の底のエネルギーは前記中間層の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、前記第１の中間層の厚さが、前記第２の中間層の厚さよりも厚い。
【発明の効果】
【００１１】
信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図６】電流ブロック層をもつ関連する赤外線検出器の動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器１００の構造を説明する断面図である。
【００１５】
図１に示すように、赤外線検出器１００は、半導体基板１、緩衝層２、下部コンタクト層３（第１のコンタクト層）、光吸収層４、上部コンタクト層５（第２のコンタクト層）、下部電極６、上部電極７、電圧源８、電流計９を備えている。
【００１６】
具体的には、半導体基板１の上に緩衝層２が形成されている。緩衝層２は、半導体基板１と同じ半導体材料から構成されている。また、緩衝層２の上に下部コンタクト層３が形成されている。下部コンタクト層３は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。また、下部コンタクト層の上に光吸収層４及び下部電極６が形成されている。また、光吸収層４の上に上部コンタクト層５が形成されている。上部コンタクト層５は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。また、上部コンタクト層５の上に上部電極７が形成されている。なお、下部コンタクト層３は、半導体基板１上に、緩衝層２を介さずに、直接、形成されていてもよい。
【００１７】
また、下部電極６と上部電極７とは、電圧源８を介して接続されている。また、電流計９は、下部電極６と上部電極７との間に接続されている。
【００１８】
そして、電圧源８は、下部電極６と上部電極７との間に適切な電圧を印加する。また、電流計９は、光吸収層４が入射赤外線Ｘを吸収することにより、下部電極６と上部電極７との間に流れる光電流を測定する。
【００１９】
光吸収層４は、中間層４１、量子ドット層４２、電流ブロック層４３、電子ドープ層４４を備えている。
【００２０】
具体的には、下部コンタクト層３の上に、第１の中間層４１Ａ、量子ドット層４２、第２の中間層４１Ｂ、電流ブロック層４３、第３の中間層４１Ｃ、電子ドープ層４４、再び第１の中間層４１Ａの順に、各層が繰り返し形成されている。電流ブロック層４３は中間層４１よりも伝導帯の底のエネルギーが高い材料で構成されている。このような積層を１０回以上繰り返すことにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率を大きくすることができる。なお、図１では略して３回の繰り返し積層を示している。
【００２１】
また、繰り返し積層される量子ドット層４２の各々は、積層方向に５０ｎｍ程度かそれ以上離れて形成されている。これは、ｍ（１以上の整数）番目に積層された量子ドット層表面の凹凸形状が、その後積層される中間層４１などによって徐々に平坦に近づいていき、ｍ＋１番目の量子ドット層が積層される直前にはほぼ平坦にする必要があるためである。
【００２２】
さらに、第１の中間層４１Ａの厚さは第２および第３の中間層４１Ｂおよび４１Ｃと比べて厚い。その理由は、下記の動作説明で詳しく述べる。
【００２３】
次に、赤外線検出器１００の動作について説明する。図２は、本実施の形態１にかかる赤外線検出器１００の動作を説明するものであり、電圧印加時の積層方向（図１の縦方向）に沿った伝導帯の電子エネルギーバンド図を示している。図２において、左側が基板１に近い側である。バンドが右肩上がりとなっているのは、右側（上部電極側）の電位が低い状態、つまり電子にとってはポテンシャルエネルギーが高いからである。
【００２４】
電子ドープ層４４にドープされた電子４５の大部分は、よりポテンシャルエネルギーの低い量子ドット層４２に捕捉される（点線矢印）。この状態で、電子の基底状態ＥＬ１と励起状態ＥＬ２の差に相当するエネルギーを有する赤外線Ｘ（図中矢印）が入射すると、量子ドット層４２の電子４５がそのエネルギーを吸収して基底状態から励起状態へ遷移する。このように生じたのが光励起電子４５Ａである。
【００２５】
上記のように量子ドット層４２に捕捉されない電子は、電子ドープ層４４にとどまることになるが、熱的に伝導帯バンドまで励起されて熱励起電子４５Ｂになる。
【００２６】
これら光励起電子４５Ａと熱励起電子４５Ｂは印加バイアスにより図面左側に引き寄せられ、中間層４１を電子が走行する過程で運動エネルギーが加わる。
【００２７】
本実施の形態において、第１の中間層４１Ａの厚さは第３の中間層４１Ｃと比べて厚くなっている。
【００２８】
従って、光励起電子４５Ａおよび熱励起電子４５Ｂが電流ブロック層４３に到達するまでの距離を比較すると、前者の方が後者よりも長くなる。従って、中間層４１を走行する過程で加わる運動エネルギーは、その走行距離に比例することを考慮すると、光励起電子４５Ａの方が熱励起電子４５Ｂよりも大きくなる。
【００２９】
このような状況において、電子が電流ブロック層４３に到達すると、光励起電子４５Ａの方が熱励起電子４５Ｂよりも大きな運動エネルギーをもっているため、電流ブロック層４３を透過する確率は、前者の方が後者よりも大きくなる。つまり、光電流成分に比べて暗電流成分の方を高い確率で抑制することが可能となる。これにより、光電流成分と暗電流成分を同程度抑制しているものに比べ、信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
【００３０】
信号対雑音比をさらに向上させるためには、第３の中間層４１Ｃの厚さに対する第１の中間層４１Ａの厚さをより厚くすることが好ましい。具体的には第１の中間層の厚さが、第３の中間層の厚さの５倍以上であることが好ましく、１０倍以上であることがより好ましい。
【００３１】
なお、電流ブロック層４３における光励起電子４５Ａの透過率が高くなるよう、障壁エネルギーの高さや層厚が設定されている方が望ましい。
【００３２】
ところで、第２の中間層４１Ｂの厚さも暗電流の大きさに影響を及ぼす。電子ドープ層４４にドープされた電子は高い確率で量子ドット層４２に捕捉されると説明したが、これは、電子ドープ層４４と量子ドット層４２が近くにあるときには正しいが、距離が遠くなると電子の量子ドットへの捕捉確率が低減する。後者の場合、電子が電子ドープ層にとどまり、結果として熱励起電子４５Ｂが多く生じることにより結果として暗電流が増加する。以上より、電子ドープ層４４と量子ドット層４２は距離が近い方が好ましい。
【００３３】
電子ドープ層４４と量子ドット層４２の距離は第２の中間層４１Ｂ、電流ブロック層４３、第３の中間層４１Ｃの和であり、従って第２の中間層４１Ｂが薄いことが暗電流低減の必要条件と言える。おおむね１０ｎｍ以下が好ましい。
【００３４】
しかしながら、例えば電流ブロック層４３がＡｌＧａＡｓを用いて構成され、量子ドット層４２がＩｎＡｓを用いて構成される場合、ＡｌＧａＡｓの成膜温度が高いため、中間層４１Ｂを薄くしすぎると融点の低いＩｎＡｓから構成される量子ドット層４２の形状が崩れ、結果として光検出効率の低減につながる。従って構成材料によっては、薄くしすぎないように注意が必要である。
【００３５】
以上に説明したように、第１の中間層、量子ドット層、第２の中間層、電流ブロック層、第３の中間層、電子ドープ層、再び第１の中間層の順に積層された構造を含む光吸収層において、電流ブロック層の伝導帯の底のエネルギーは中間層の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、第１の中間層の厚さが第３の中間層の厚さと比べて厚いことにより、暗電流および光電流のうち、暗電流を効果的に遮断する効果があらわれ、信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
【００３６】
なお、第１の中間層の厚さが、第３の中間層の厚さよりも５倍以上厚いことが好ましく、第２の中間層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
背景技術で説明したように、ＱＤＩＰは、量子ドットに予め電子をドーピングしておく必要がある（特許文献１）。電子のドーピングは、量子ドット形成と同時にＳｉ（シリコン）などのｎ型不純物をドープする方法が用いられる。しかしながら、量子ドットの平面占有率は１００％ではないため、上記のようにドープされた電子は必ずしも量子ドットに捕捉されるわけではない。このように量子ドットに捕捉されなかった電子はある確率で熱的に励起され暗電流として検知される。
【００３８】
また、赤外線検知動作に必要な量子ドットへの電子ドーピングの目的以外に、量子ドットの近傍に電子ドープ層が形成される場合がある。その例の１つが、ｎ型不純物層を量子ドットの直上１０ｎｍ以内でごく薄い厚さで変調ドープ（δドープ）し、赤外線検出感度を向上させる手法である（特許文献２）。このｎ型不純物層にある電子も、ある確率で熱的に励起されて暗電流、そしてノイズ源となる。
【００３９】
上記いずれの場合においても、暗電流を低減する工夫が必要となる。このような暗電流を低減するため、例えば特許文献３では、量子ドット直上にバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＡｓ（ヒ化アルミニウムガリウム）からなる電流ブロック層を導入している。この時、量子ドットはＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）、多層量子ドットの間をうめている中間層はＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）から構成されている。
【００４０】
図６は、特許文献３などに開示されている、電流ブロック層を導入した量子ドットを含む赤外線検出器の電流ブロック動作を模式的に表したものである。この図は、電圧を印加したときの、量子ドットを含む断面の伝導帯エネルギーバンドを示している。
【００４１】
上記で説明したように、電子のドーピングは量子ドット層もしくはその近傍にされている。従って、この図において本来測定したい赤外線入射により生じた電子（光電流電子）と光入射とは無関係に生じた電子（暗電流電子）は空間的に近い場所に発生している。
【００４２】
図中では、暗電流電子の元として電子ドープ層からの熱励起電子を例にとって説明している。電子がドープされているのはこの層だけであり、この影響が一番大きいと考えても差し支えない。
【００４３】
図６は、図面右側の電子ポテンシャルエネルギーが高くなるように電圧が印加された状態を示している。このとき、電子の基底状態ＥＬ１と励起状態ＥＬ２の差に相当するエネルギーを有する赤外線Ｘ（図中矢印）が入射すると、その電子がそのエネルギーを吸収して基底状態から励起状態へ遷移する。このように生じたのが光励起電子４５Ａである。
【００４４】
一方、電子ドープ層４４の電子は、量子ドットに取り込まれて基底準位ＥＬ１にあるか、あるいはある確率で熱的に伝導帯に励起されて熱励起電子４５Ｂとなる。
【００４５】
これら光励起電子４５Ａと熱励起電子４５Ｂは印加バイアスにより図面左側に引き寄せられ、中間層４１を電子が走行する過程で運動エネルギーが加わるが、光励起電子と熱励起電子では同程度である。従って、その先にあるポテンシャルエネルギーの高い電流ブロック層４３を越えられる確率は両者で同程度となる。すなわち、この電流ブロック層は抑制したい暗電流となる熱励起電子と、検出したい光電流となる光励起電子の流れを同程度抑制する。
【００４６】
これに比べ、実施の形態１にかかる赤外線検出器１００では、上述の通り、暗電流を効果的に遮断することができる。したがって、信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
【００４７】
次に、本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器１００の製造方法について説明する。
【００４８】
（１）量子ドットを含む結晶成長
半導体基板１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意し、このＧａＡｓ基板を分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置内へ導入する。自然酸化膜の除去処理を行った後、５８０℃程度に基板の温度を設定し、厚さ５００ｎｍで、緩衝層２を積層する。緩衝層２は、半導体基板１と同じＧａＡｓから構成される。
【００４９】
次に、厚さ５００ｎｍで、ｎ型の下部コンタクト層３を積層する。下部コンタクト層３は、Ｓｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。
【００５０】
次に、厚さ５０ｎｍ程度で、ｉ型の第１の中間層４１Ａを積層する。ｉ型の第１の中間層４１は、ＧａＡｓから構成される。
【００５１】
その後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、厚さが２〜３原子層程度となるように、ＩｎＡｓを供給する。
【００５２】
この時、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状に３次元的に成長する。これにより、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ)モードと呼ばれる量子ドットが形成される。その結果、量子ドットが平面的上に並んだ量子ドット層４２が形成される。量子ドットの典型的な直径は３０ｎｍ、高さ５ｎｍであり、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０１０程度である。
【００５３】
次に、基板温度を再び上昇させ、厚さ５ｎｍ程度でＧａＡｓからなるｉ型の第２の中間層４２Ｂ、厚さ１０ｎｍ程度でＡｌＧａＡｓからなるｉ型の電流ブロック層４３、厚さ５ｎｍ程度でＧａＡｓからなるｉ型の第３の中間層４２Ｃを積層する。さらに、Ｓｉ原子等のｎ型不純物がドープされた電子ドープ層４４、そして再び第１の中間層４１Ａを積層する。
【００５４】
ここで、電子ドープ層４４への不純物ドープ量は、量子ドット層４２の各々の量子ドットに平均１個程度の電子がドーピングされるように調整する。具体的には、面密度が量子ドット数の面密度Ｎの１／５倍から５倍程度の範囲内が適当である。電子ドープ層４４の厚さはシート状の非常に薄いものであってもよいし、５ｎｍ程度の厚さがあってもよい。特に前者は、δドーピングと呼ばれることがある。
【００５５】
上記の手順に従って、第１の中間層４１Ａ、量子ドット層４２、第２の中間層４１Ｂ、電流ブロック層４３、第３の中間層４１Ｃ、電子ドープ層４４の積層を１０回以上繰り返す。これにより、光吸収層４を形成することができる。
【００５６】
最後に、厚さが２００ｎｍでｎ型の上部コンタクト層５を積層する。ｎ型の上部コンタクト層５は、Ｓｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。
【００５７】
なお、ＩｎＡｓから構成される量子ドット層４２は、ＩｎＧａＡｓ（ヒ化インジウムガリウム）であってもよい。また、中間層４１はＡｌＧａＡｓであってもよい。ただし、電流ブロック層４３よりもバンドギャップエネルギーが小さくなるように、Ａｌ組成比を電流ブロック層のそれよりも小さくしておく必要がある。
【００５８】
上記製造方法において、量子ドット層４２を含む光吸収層４やそれらの周辺構造をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではない。たとえば、これらの構造を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いても良い。
【００５９】
（２）検出器構造加工および電極プロセス
続いて、紫外線リソグラフィー、ドライエッチングまたはウエットエッチング技術を利用して上部コンタクト層５、光吸収層４および下部コンタクト層３の一部を選択的にエッチングする。これにより下部コンタクト層３の表面の一部が露出する。
【００６０】
この選択エッチングにより、分離された構造が赤外線検出器１００の１素子になる。赤外線検出器１００の受光面の大きさは、用途によって異なるが、典型的には２０μｍから５００μｍ程度である。赤外線検出器１００はこの１素子のみで構成されてもよいし、このような素子を一列に、あるいは２次元的に配列させたアレイであってもよい。
【００６１】
次いで、上部コンタクト層５及び下部コンタクト層３に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるアロイオーミック電極を形成し、上部電極７及び下部電極６とする。上部電極７及び下部電極６は、それぞれリフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含んでいる。
【００６２】
以上の工程により、実施の形態１に係る赤外線検出器１００の基本構成が完成する。
【００６３】
実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器２００の構造を説明する断面図である。
【００６４】
図３に示すように、実施の形態２にかかる赤外線検出器２００は、光吸収層４を構成する層の積層の順番のみが、実施の形態１にかかる赤外線検出器１００と異なる。具体的には、第１の中間層４１Ａ、電子ドープ層４４、第２の中間層４１Ｂ、電流ブロック層４３、第３の中間層４１Ｃ、量子ドット層４２、再び第１の中間層４１Ａの順に積層されている点が異なる。他の部分の構成は実施の形態１と同一であるため、説明は省略する。
【００６５】
次に、赤外線検出器２００の動作について説明する。図４は、本実施の形態２にかかる赤外線検出器２００の動作を説明するものであり、電圧印加時の積層方向（図３の縦方向）に沿った伝導帯の電子エネルギーバンド図を示している。図４において、左側が基板１に近い側である。バンドが右肩下がりとなっているのは、右側（上部電極側）の電位が高い状態、つまり電子にとってはポテンシャルエネルギーが低いからである。
【００６６】
図４と図２を比較すると、積層の順番を入れ替えると同時に印加電圧の符号を変えて、結果として左右が逆になっただけである。従って、左右逆であることを除けば、動作は実施の形態１において既に説明したものと同じになる。よって、以下に結論のみを述べる。
【００６７】
第１の中間層、電子ドープ層、第２の中間層、電流ブロック層、第３の中間層、量子ドット層の順で積層された構造を含む光吸収層において、電流ブロック層の伝導帯の底のエネルギーは中間層の伝導帯の底のエネルギーよりも大きく、第１の中間層の厚さが第２の中間層の厚さと比べて厚い。これにより、暗電流および光電流のうち、暗電流を効果的に遮断する効果があらわれ、信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
【００６８】
なお第１の中間層の厚さが、第２の中間層の厚さよりも５倍以上厚いことが好ましく、第３の中間層の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００６９】
また、製造方法は積層の順番を除けば同じであるため、これらの説明を省略する。
【００７０】
実施の形態３
図５は、本発明の実施の形態３にかかる赤外線検出器３００の構造を説明する断面図である。図５に示すように、実施の形態３にかかる赤外線検出器３００は、実施の形態１にかかる赤外線検出器１００における量子ドット層４２と第２の中間層４１Ｂの間に、キャップ層４６を積層した構造であり、その他の部分の構成は同じである。
【００７１】
キャップ層４６は、例えば量子ドット層４２と中間層４１がそれぞれＩｎＡｓおよびＧａＡｓから構成される場合には、ＩｎＧａＡｓから構成される。ＩｎＡｓ量子ドット層４２の上にＩｎＧａＡｓキャップ層４６を介してＧａＡｓの第２の中間層４１Ｂを積層する場合、ＩｎＧａＡｓキャップ層がＩｎＡｓとＧａＡｓの格子定数の違いから発生する歪みを緩和する役割を果たす。よって、このキャップ層は歪緩和層と呼ばれることもある。
【００７２】
このような歪の緩和は電子のポテンシャルエネルギーを変化させ、その結果、電子サブバンドエネルギーが変化する。これは、赤外線検出器が検知できる波長が変化することに相当する。またこの波長変化量はキャップ層の厚さやＩｎＧａＡｓのＩｎとＧａの組成比により制御できるため、赤外線検出器の波長制御方法として利用できる。典型的なキャップ層の厚さは５ｎｍ程度、ＩｎとＧａの組成比は０．１５：０．８５である。
【００７３】
実施の形態３の動作原理は、図２で説明した実施の形態１のそれとほとんど同じになる。キャップ層４６の導入により、図２における量子ドット層４２のバンド形状が少し変化するものの、電流ブロック層４３、電子ドープ層４４の形状や位置関係は変わらないからである。よって、説明は省略する。
【００７４】
また、製造方法も既に述べたものとほとんど同じであるため、これも省略する。
【００７５】
このように、量子ドット層の直上にキャップ層を導入することにより、キャップ層無しの場合と比較して検出波長が変化させるとともに、実施の形態１および２と同様に信号対雑音比の高い赤外線検出器を提供することができる。
【００７６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１に示した赤外線検出器１００は、上記に記載した物品以外の構成物品を、さらに有していても良い。
【００７７】
この出願は、２０１２年１２月５日に出願された日本出願特願２０１２−２６６１６２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００７８】
１  半導体基板
２  緩衝層
３  下部コンタクト層（第１のコンタクト層）
４、４Ａ  光吸収層
４１  中間層
４１Ａ  第１の中間層
４１Ｂ  第２の中間層
４１Ｃ  第３の中間層
４２  量子ドット層
４３  電流ブロック層
４４  電子ドープ層
４５  電子
４５Ａ  光励起電子（光電流電子）
４５Ｂ  熱励起電子（暗電流電子）
４６  キャップ層
５  上部コンタクト層（第２のコンタクト層）
６  下部電極
７  上部電極
８  電圧源
９  電流計
１００、２００、３００  赤外線検出器
【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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【国際調査報告】
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