(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】量子ドット層１００は、並設された複数の量子ドット１０１を中間層１０２で覆うように構成される。そして、中間層１０２内の所定部位、ここでは光吸収層にバイアスを印加した状態で量子ドット１０１より高バイアスとなる側の中間層１０２内の所定部位に、Ｎ型不純物が導入されてなる不純物層１０３が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成された複数の電極層と、
前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層と
を含み、
前記光吸収層は、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層されてなり、
少なくとも１層の前記量子構造層は、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にＮ型不純物が導入されてなる不純物層を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記量子構造は、量子細線又は量子ドットからなることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が１０ｎｍ以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記不純物層の厚みは、前記量子構造層の厚みから量子構造の厚み及び前記離間距離を差し引いた値以下であることを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記不純物層における前記Ｎ型不純物の濃度は、１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内の値とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を有する光半導体装置に関し、特に赤外線検知器に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、Stranski−Krastanov（Ｓ−Ｋ）モードと呼ばれる成長モードにより、量子ドット構造が容易に実現可能であることが注目され、量子ドット構造を用いた光半導体デバイスの開発が盛んになっている。例えば、ＧａＡｓ基板上で成長できる量子ドットの材料としては、ＩｎＡｓ, ＧａＩｎＡｓ, ＧａＩｎＮＡｓ, ＧａＳｂ等が挙げられる。
【０００３】
近時では、新しい赤外線検知器として、量子ドット型赤外線検知器(ＱＤＩＰ：Quantum Dot Infrared Photo-detector)が注目されている。ＱＤＩＰは、赤外線吸収材料に量子ドットを用いるため、量子ドットによる電子の３次元閉じ込め効果により、３次元全ての方向での光吸収による高感度特性が得られる。そのため、赤外線吸収層に垂直に入射する赤外光を光結合器等を用いることなく検知できることから、作製プロセスを簡易化できるという利点がある。また量子ドットにより、離散的なエネルギー準位が形成されるため、熱励起による量子ドットから励起される暗電流を抑えることができる。従って、電子冷却で動作する赤外線検知器として注目されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００４】
ＱＤＩＰは、赤外線吸収層の両側を電極層で挟んだ構造とされている。赤外線吸収層は、並設された複数の量子ドットを中間層で覆う量子構造層が複数積層されて構成されている。中間層は、量子ドットの成長によって結晶に導入される歪を回復させるためのものである。
【０００５】
図７に、ＱＤＩＰにおける赤外線吸収の基本原理を示す。
量子ドットの伝導帯の基底準位から量子ドットの励起準位間のエネルギー差に相当する赤外線波長がこのＱＤＩＰに入射したとき、量子ドットの伝導帯の基底準位から量子ドットの励起準位へ電子が遷移される。この励起準位は中間層のポテンシャルより低いエネルギー準位にあり障壁が存在することとなるが、この障壁部分をトンネルすることで連続帯へ電子が流れる。この電子が電極に到達し、電流として感知されることで、ＱＤＩＰは赤外線検知器として機能する。
【０００６】
ＱＤＩＰの典型的なデバイス構造の一例が非特許文献２に記載されている。この文献では、ＧａＡｓ基板上にバッファ層を成長し、下部電極層、赤外線吸収層、及び上部電極層を順に成長している。赤外線吸収層としては、ＩｎＡｓを材料として成長速度０．２２ＭＬ／ｓｅｃで２．０ＭＬ成長させる。ここで、量子ドットを埋め込むためにＧａ0.85Ｉｎ0.15Ａｓを２０ＭＬ成長させ、中間層には１８０ＭＬのＧａＡｓを成長させる。この構造を複数回繰り返してＱＤＩＰの基本構造が構成される。
【０００７】
【非特許文献１】K.W.Berryman, S.A.Lyon, and Mordechai Segav. Appl. Phys. Lett. 70, 1861(1997)。
【非特許文献２】Zhengmao Ye, Joe C. Campbell, Zhonghui Chen, Eui-Tae Kim, and Anupam Madhukar ; J. Appl. Phys. Vol.92. 7462(2002)
【非特許文献３】E. Luna, J. L. Sanchez-Rojas, A. Guzman, J. M. G. Tijero, and E. Munoz, ; IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 15, NO. 1, JANUARY 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＱＤＩＰでは、上記のような利点を有する反面、量子ドットと中間層との間に存するエネルギー障壁（トンネル膜厚）が比較的大きいため、赤外線によって励起された電子が連続帯へトンネルする確率が低く、当該電子が電極まで到達できない。そのため、光電流が小さく、高感度の赤外線検知器の実現が困難であるという問題がある。
【０００９】
この点、電子の閉じ込め方向が１次元とされた量子井戸構造を有する従来の赤外線検知器として、量子井戸型赤外線検知器(ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photo-detector)が研究されている。この検知器は、感度が小さいことが問題であるが、この問題を解決するため、非特許文献３では、不純物をデルタドープする方策が示されている。
【００１０】
しかしながらＱＷＩＰでは、作製プロセスが比較的煩雑であり、またＱＤＩＰのように十分には暗電流を抑えることができず、赤外線検知器としては不十分であると言わざるを得ない。また、非特許文献３では不純物のデルタドープを行うことに関する定性的な記載に留まり、当該記載では実際の赤外線検知器への具体的な適用は極めて困難である。
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、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及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の光半導体装置は、基板と、前記基板の上方に形成された複数の電極層と、前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層とを含み、前記光吸収層は、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層されてなり、少なくとも１層の前記量子構造層は、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にＮ型不純物が導入されてなる不純物層を有する。
【００１３】
本発明の光半導体装置の製造方法は、基板と、前記基板の上方に形成された複数の電極層と、前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層とを含む光半導体装置を製造するに際して、前記光吸収層を、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層して形成し、少なくとも１層の前記量子構造層について、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にＮ型不純物を導入し、不純物層を形成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、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ことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
−本発明の基本骨子−
本発明者は、量子ドットと中間層との間に存するエネルギー障壁（トンネル膜厚）を低減させるべく鋭意検討した結果、光吸収層の中間層内の所定部位にＮ型不純物を導入することに想到した。
【００１６】
本発明の光半導体装置における光吸収層は、量子ドット層が複数積層されてなる。これらの量子ドット層のうちの少なくとも１層に不純物層が形成される。
図１に、この量子ドット層の基本構造を示す。なお、図１では量子構造として、３次元の各方向から電子を閉じ込める構造の量子ドットを例示するが、２次元の各方向から電子を閉じ込める構造の量子細線としても、量子ドットを用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００１７】
量子ドット層１００は、並設された複数の量子ドット１０１を中間層１０２で覆うように構成される。そして、中間層１０２内の所定部位、ここでは光吸収層に電圧（バイアス）を印加した状態で量子ドット１０１より高電位（高バイアス）となる側の中間層１０２内の所定部位に、Ｎ型不純物が導入されてなる不純物層１０３が形成されている。
【００１８】
不純物層１０３は、所望のトンネル膜厚を形成できるＮ型不純物濃度及び膜厚に形成される。
不純物層１０３のＮ型不純物濃度としては、１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内の値とされる。ここで、１×１０16／ｃｍ3よりも小値では、不純物ドープの状態と見なされない程度（換言すれば、真性半導体と見なされる程度）となって不純物添加量としては不十分である。一方、１×１０20／ｃｍ3よりも大値では、もはや不純物のドープ状態と言うよりは当該不純物が材料組成の一部と見なされるため、不純物添加量としては多きに過ぎる。このＮ型不純物濃度の値は、印加するバイアスやデバイス構造に依存するため、設計に応じて変化させる。
【００１９】
不純物層１０３の膜厚としては、量子ドット１０１の上面（頭頂部）と当該不純物層１０３の下面との離間距離を１０ｎｍ以内とし、量子ドット層１００の厚みから量子ドット１０１の厚み（高さ）及び前記離間距離を差し引いた値以下とされる。前記離間距離を１０ｎｍ以内とすることにより、電子のトンネル確率を改善することができる。不純物層１０３を当該膜厚に形成することにより、中間層１０２内に所望の空乏層を形成されることになる。
【００２０】
上記のように構成された量子ドット層１００を備えた半導体装置において、トンネル膜厚とトンネル確率との関係を調べた。その結果を図２に示す。
図２では簡単のため、励起準位から中間層の材料の間に１４０ｍｅＶの矩形障壁が存在することを仮定した計算結果を示す。この計算結果より、例えば３ｎｍ程度だけトンネル膜厚（量子ドットの励起準位から連続帯へトンネルする膜厚）を減らすことにより、トンネル確率が１桁程度上昇することが判る。
【００２１】
図３に、Ｎ型不純物を量子ドットの近傍に導入した場合における伝導帯バンド構造を示す。
Ｎ型不純物の導入により、不純物層と中間層との界面近傍に空乏層が形成される。これにより、トンネル膜厚が減少することが判る。
【００２２】
図４に、不純物層の量子ドットの頂上からの位置とトンネル膜厚との関係についての計算結果を示す。
計算した構造は、不純物層のＮ不純物濃度を１×１０18／ｃｍ3、膜厚を５ｎｍとした。また中間層の材料をｉ−ＧａＡｓとし、簡単のため当該中間層をＰ型不純物層として、Ｐ型不純物濃度を１×１０18／ｃｍ3とした。この構造に、内部電界１×１０7Ｖ／ｍを印加したと仮定して計算を行った。また、量子ドットの励起準位からの障壁の高さは１４０ｍｅＶとする。
【００２３】
中間層内に空乏層が形成されてバンドポテンシャルが変化する結果、量子ドットの励起準位から連続帯の距離が減少する。不純物層の配置の効果によりトンネル膜厚が減少する結果、例えばトンネル膜厚が３ｎｍ程度減少したとするとトンネル確率が１桁程度上昇する。そのため光電流が１桁程度増加し、検知器の感度も同様に１桁程度向上することになる。
【００２４】
−本発明を適用した好適な実施形態−
図５は、本実施形態による量子ドット型赤外線検知器（ＱＤＩＰ）の製造方法を工程順に示す概略断面図である。以下、このＱＤＩＰの構成をその製造工程と共に説明する。
【００２５】
先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁性のＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを材料としてバッファ層２を５００ｎｍ程度の厚みに形成する。
次に、バッファ層２上に、Ｎ型ＧａＡｓを材料とした下部電極層３、赤外線吸収層４、及び上部電極層５を順次成長させる。これらはエピタキシャル層として、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法やＭＯＣＶＤ(有機金属気相成長法)法によって形成される。
【００２６】
下部電極層３は、赤外線吸収層４にバイアスを印加するためのものであり、厚みが例えば１．０μｍ程度であり、１×１０18／ｃｍ3程度の濃度の不純物（例えばＮ型不純物であるＳｉ）を含むように形成される。
【００２７】
赤外線吸収層４は、赤外線を吸収する機能を有しており、電子を３次元の各方向に閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子ドット１１が、当該量子ドット１１の歪を回復させるための中間層１２で覆われてなる量子ドット層６が複数層、例えば１０層〜２０層程度積層されて構成される。
【００２８】
ここで、量子ドット１１は、その成長条件を固定して均一に形成される。量子ドット１１の材料としては、ＩｎＡｓを用いる。この量子ドット１１は、例えば分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いて、基板温度５００℃、成長速度０．２２ＭＬ／secで２．０ＭＬ成長させ、Ｓ−Ｋモードを利用した自己組織化量子ドット形成法によって形成される。
【００２９】
本実施形態における中間層１２を形成する様子を図６に示す。
図６（ａ）に示すように、先ず、中間層１２を形成するに際して、ＧａＡｓ基板１と同じ材料であるｉ−ＧａＡｓを用い、先ず量子ドット１１を完全に埋め込むようにｉ−ＧａＡｓを成長させる。
【００３０】
次に、成長したｉ−ＧａＡｓ内に、Ｎ型不純物、ここではＳｉを導入し、不純物層１３を形成する。例えば、量子ドット１１の頭頂部から６ｎｍ程度離間した部位に、Ｓｉの不純物濃度が１×１０18／ｃｍ3程度とされてなる不純物層１３を、例えば５ｎｍ程度の厚みに成長させる。
【００３１】
次に、不純物層１３上に再びｉ−ＧａＡｓを成長させる。このとき、中間層１２全体の膜厚が、量子ドット１１の歪を充分に回復させるに足る程度、例えば６０ｎｍ程度となるようにｉ−ＧａＡｓを成長させて、内部に不純物層１３を有する中間層１２を形成する。
本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、上記のような構造の量子ドット層１０を、例えば１０層成長させて赤外線吸収層４を構成する
【００３２】
なお、上記の例では、赤外線吸収層４を構成する全ての量子ドット層１０について、各々の中間層１２内に不純物層１３を形成する場合について説明したが、全ての量子ドット層１０に不純物層１３を形成することは必ずしも必要ではない。本発明では、デバイス構造等に応じて少なくとも１層の量子ドット層１０に不純物層１３を形成することが必須である。
【００３３】
上部電極層５は、赤外線吸収層４にバイアスを印加するためのものであり、厚みが例えば１．０μｍ程度であり、１×１０18／ｃｍ3程度の濃度の不純物（例えばＮ型不純物であるＳｉ）を含むように形成される。
【００３４】
続いて、図５（ｂ）に示すように、リソグラフィー法により上部電極層５上に所定パターンのレジストマスク２１を形成した後、このレジストマスク２１を用いて、当該にレジストマスク２１で覆われていない部分を、上部電極層５から下部電極層３の途中までドライエッチングする。
【００３５】
続いて、レジストマスク２１を灰化処理等により除去した後、図５（ｃ）に示すように、例えば真空金属蒸着法により全面に電極材料、例えばＡｕＧｅ／Ａｇ／Ａｕを堆積し、リフトオフ法により、下部電極層３と接続される下部電極６、及び上部電極層５と接続される上部電極７を形成する。
以上により、本実施形態に係るＱＤＩＰを完成させる。
【００３６】
なお、量子ドット１１を埋め込む中間層１２の材料として、非特許文献２のように基板材料と異なるバンドギャップを有する材料(例えばＧａＩｎＡｓ)を用いても良い。この場合には、例えば量子ドット１１を埋め込むＧａＩｎＡｓ層と、その上方のＧａＡｓ層との界面に、例えば厚みを５ｎｍ程度、Ｎ型不純物（Ｓｉ）量を１×１０18／ｃｍ3程度として不純物層１３を成長させれば良い。
【００３７】
また、本実施形態では、中間層１２の材料としてｉ−ＧａＡｓのみを使用する例を説明したが、量子ドット１１及び量子ドット１１を埋め込む中間層１２をＰ型にして、空乏層を広げることも効果的である。例えば、量子ドット１１を真性半導体の状態とし、量子ドット１１を埋め込む中間層１２のＰ型不純物濃度を１×１０18／ｃｍ3程度として、この層の直上に例えば膜厚５ｎｍ、Ｎ型不純物濃度を１×１０18／ｃｍ3程度とした不純物層１３を成長させる。その後、ｉ−ＧａＡｓ層を歪が回復する厚さだけ成長し、中間層１２の膜厚が６０ｎｍ程度となるようにする。
【００３８】
また、本実施形態では、ＧａＡｓ基板１上にＩｎＡｓからなる量子ドット１１を形成する場合について例示したが、例えばＳｉ基板上にＳｉＧｅからなる量子ドットを形成したり、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓからなる量子ドットを形成しても良い。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、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、しかも高感度の赤外線検出を実現するＱＤＩＰを提供することができる。
【００４０】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４１】
（付記１）基板と、
前記基板の上方に形成された複数の電極層と、
前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層と
を含み、
前記光吸収層は、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層されてなり、
少なくとも１層の前記量子構造層は、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にＮ型不純物が導入されてなる不純物層を有することを特徴とする光半導体装置。
【００４２】
（付記２）前記量子構造は、量子細線又は量子ドットからなることを特徴とする付記１に記載の光半導体装置。
【００４３】
（付記３）前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が１０ｎｍ以内であることを特徴とする付記１又は２に記載の光半導体装置。
【００４４】
（付記４）前記不純物層の厚みは、前記量子構造層の厚みから量子構造の厚み及び前記離間距離を差し引いた値以下であることを特徴とする付記３に記載の光半導体装置。
【００４５】
（付記５）前記不純物層における前記Ｎ型不純物の濃度は、１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内の値とされていることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【００４６】
（付記６）前記光吸収層により、赤外線を吸収して検出する赤外線検知器であることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【００４７】
（付記７）基板と、
前記基板の上方に形成された複数の電極層と、
前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層と
を含む光半導体装置を製造するに際して、
前記光吸収層を、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層して形成し、
少なくとも１層の前記量子構造層について、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にＮ型不純物を導入し、不純物層を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【００４８】
（付記８）前記量子構造は、量子細線又は量子ドットからなることを特徴とする付記７に記載の光半導体装置の製造方法。
【００４９】
（付記９）前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が１０ｎｍ以内となるように、前記不純物層を形成することを特徴とする付記７又は８に記載の光半導体装置の製造方法。
【００５０】
（付記１０）前記不純物層を、前記量子構造層の厚みから量子構造層の厚み及び前記離間距離を差し引いた値以下の厚みとなるように形成することを特徴とする付記９に記載の光半導体装置の製造方法。
【００５１】
（付記１１）前記不純物層を、その前記Ｎ型不純物の濃度が１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3の範囲内の値となるように形成することを特徴とする付記７〜１０のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の光半導体装置における光吸収層を構成する量子ドット層の基本構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の光半導体装置において、トンネル膜厚とトンネル確率との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の光半導体装置において、Ｎ型不純物を量子ドットの近傍に導入したときの伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図４】本発明の光半導体装置において、不純物層の量子ドットの頂上からの位置とトンネル膜厚との関係を示す特性図である。
【図５】本実施形態による量子ドット型赤外線検知器（ＱＤＩＰ）の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図６】本実施形態におけるＱＤＩＰの中間層を形成する様子を示す概略断面図である。
【図７】ＱＤＩＰにおける赤外線吸収の基本原理を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  ＧａＡｓ基板
２  バッファ層
３  下部電極層
４  赤外線吸収層
５  上部電極層
６  下部電極
７  上部電極
１０  量子ドット層
１１  量子ドット
１２  中間層
１３  不純物層
２１  レジストマスク
【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】
2008091427.tif 000007
【図６】
2008091427.tif 000008
【図７】
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