(57)【要約】【課題】量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子を価電子帯からの励起によって供給することにより、光の検知性能を向上させる。【解決手段】量子ドットからなる層を複数積層した量子ドット積層構造と、p型電極層、n型電極層、および前記p型電極層とn型電極層との間に挟み込まれた量子井戸構造を有する半導体素子と、を備えることを特徴とする赤外線検知であり、半導体素子が量子ドット積層構造に接する位置に形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットからなる層を複数積層した量子ドット積層構造と、
p型電極層、n型電極層、および前記p型電極層とn型電極層との間に挟み込まれた量子井戸構造を有する半導体素子と、を備え、
前記半導体素子が前記量子ドット積層構造に接する位置に形成されていることを特徴とする赤外線検知器。
【請求項２】
請求項１記載の赤外線検知器において、その量子井戸構造の伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差に対して±50meVのエネルギー範囲内に位置することを特徴とする赤外線検知
器。
【請求項３】
請求項１記載の赤外線検知器において、前記量子ドット積層構造は、量子ドットの材料がインジウム砒素（InAs）であり、前記量子ドットを挟み込み、複数層を構成する層材料がガリウム砒素（GaAs）であり、前記量子ドット積層構造が液体窒素温度と同等レベルの温度範囲にあるときに形成される伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が1.4eVである場合に、量子井戸構造が、範囲0.05から0.13に含まれるIn組成を持つ厚さ10nmのインジウムガリウム砒素（InGaAs）を井戸層とし、ガリウム砒素（GaAs）を障壁層
とする１次元量子井戸構造であることを特徴とする赤外線検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は量子ドット構造を赤外線吸収部とする赤外線検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット型赤外線検知器（Quantum Dot Infrared Photodetector; QDIP）は、i型（
真性）GaAs層で挟み込まれたInAs量子ドットを有する。一般的に、材料内で電子の移動方向が１次元方向で束縛された状態を量子井戸といい、３次元のすべての方向で束縛された状態を量子ドットという。量子ドット内において、電子は、離散化されたエネルギー状態で存在する。
【０００３】
上記構造の量子ドット型赤外線検知器に外部から赤外線が入射すると、i型GaAs層に挟
み込まれたInAs量子ドット内の伝導帯量子準位に位置する電子がサブバンド間励起される。その結果、電子は量子ドットの束縛から離脱する。量子ドット型赤外線検知器は、このようにして伝導帯に励起された電子を電流（以下、光電流）として捕らえることにより赤外線を検知している。
【０００４】
量子ドットは分子線エピタキシャル装置のなかで自己形成法により形成されるため、成長方向に対して垂直な面内（以下、層）に形成される。赤外線を検知する効率を高めるために、通常この層を複数層積層したものをデバイスとして用いる。
【０００５】
図１に、従来の量子ドット型赤外線検知器の積層構造を示す。従来は、この積層構造をn型GaAs電極で挟み込み、その電極間に電位差を与えておく。この電位差により、赤外線
によりサブバンド間励起された電子が電極間を流れ、光電流となる。図２に、光電流が流れるときのバンドプロファイルを示す。
【０００６】
図２のように、n型GaAs電極に電位差を与えたため、バンドプロファイルは、略右下が
りに傾いている。また、図２で、左側のｎ型GaAs電極と中央部の量子ドット積層構造（ｉ型GaAs層部分）との間に、伝導帯端の盛り上がり（負の電位）部分が生じている。この伝導帯端の盛り上がりは、左側のｎ型GaAs電極からｉ型GaAs層部分へ拡散した電子、および、量子ドットに束縛された電子によって形成される。なお、図２に示すように、量子ドット部分のバンドプロファイルは、伝導帯の禁制帯との境界（伝導帯の下端）において下方向（正方向）への窪みを形成し、電子を束縛する構造となっている。また、価電子帯の禁制帯との境界（価電子帯の上端）では、上方向（負方向）への突出を形成し、ホールを束縛する構造となっている。量子ドット内で価電子帯から伝導帯への電子の励起が生じると、価電子帯端の突出部にホールが残され、伝導帯端の窪みに電子が蓄積されることになる。
【０００７】
この量子ドットの伝導帯に電子が蓄積された状態で赤外線が入射すると、束縛されていた電子が、サブバンドの窪みを越えて量子ドットの束縛範囲外へ離脱することになる。
【０００８】
ところで、赤外線が入射していない状態においても、電極層間に加えられた電位差により低電位側電極層（図２において0Vと記載）に位置していた電子が電極層間を流れ、これは暗電流となる。検知器の性能は概ね光電流／暗電流比で表されるため、暗電流を増加させることなく光電流を増加させることが検知器の性能を向上させる上で一つの課題となっている。
【非特許文献１】Eui-Tae Kim et al., High detectivity InAs quantum dot infraredphotodetectors, Applied physics letters, 米国, American Institute of Physics, ２００４年４月２６日, vol.84, number17, p.3277-3279
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光電流を高めるためには、予め量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子が存在している必要がある。従来、量子ドットや量子ドットを挟み込むi型GaAs層にn型不純物添加を行うことで量子準位に電子を供給する試みがされてきた。しかし、熱などによりひとたび量子ドット外へ放出された電子は、準位の離散化が進んだ量子ドット内の量子準位へは緩和されにくい（遷移しにくい）。その結果充分な量の電子を量子ドット内の伝導帯量子準位へ供給することは困難であった。したがって、伝導帯量子準位に充分な数の電子を直接供給することが課題となる。
【００１０】
本発明の目的は、量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子を直接供給することにより、光の検知性能を向上させた量子ドット型赤外線検知器を供給することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、量子ドットからなる層を複数積層した量子ドット積層構造と、p型電極層、n型電極層、および前記p型電極層とn型電極層との間に挟み込まれた量子井戸構造を有する半導体素子と、を備えることを特徴とする赤外線検知である。ここで、半導体素子が前記量子ドット積層構造に接する位置に形成されている。
【００１２】
本発明によれば、量子井戸構造に電圧を加えることで価電子帯量子準位と伝導帯内量子準位間での電子の遷移により、その準位間のエネルギーをもつ光を発光させることができる。さらにその光が、量子ドット積層構造に入射し、エネルギー準位間で電子を励起できる。その結果、量子ドット積層構造内の伝導帯にて、束縛された電子を蓄積できる。このような状態で、本赤外線検知に赤外線が入射すると、束縛されていた電子が量子ドットの束縛から離脱し、光電流の増加に寄与する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子を価電子帯からの励起によって供給することにより、光の検知性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る赤外線検知器について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
【００１５】
＜発明の骨子＞
図３に、本赤外線検知器の原理的構成を示す。本赤外線検知器は、量子井戸構造を有する半導体をさらにp型およびn型電極層で挟み込んだ構造の半導体素子を、量子ドット積層構造の傍らに形成する。
【００１６】
すなわち、図３において、真性（i型）インジウムガリウム砒素化合物（InGaAs）層をi型GaAs層で挟み込むことで、量子井戸構造が形成されている。この場合に、基板面の法線方向（層の面に垂直な方向）に１次元の井戸が形成される。さらに、この量子井戸構造をｐ型ガリウム砒素化合物（GaAs）電極とn型GaAs電極層とで挟み込んでいる。
【００１７】
一方、量子ドットを含む層は、i型GaAs層中にインジウム砒素化合物（InAs）を組み込
むことで形成されている。この場合、i型GaAs層中のInAs部分が、３次元方向に電子を閉
じこめる井戸である、量子ドットを形成する。そのような量子ドットを含む層を複数層重ねて積層構造が形成されている。さらに、量子ドット積層構造をn型GaAs電極層の間に挟
み込んでいる。
【００１８】
さらに、その量子井戸構造は、その量子井戸構造の伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差に対して±50meVのエネルギー範囲内に位置することとする。
【００１９】
このようなエネルギー差の条件を満たすように、例えば量子ドット材料がInAs、それを挟み込む層材料がGaAs層であり、それらから派生する量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が、検知器の動作温度である液体窒素温度程度の温度において1.4eVである場合には、その量子井戸構造を、例えば範囲0.05から0.13に含まれるIn組成を持つ厚さ10nmのInGaAsを井戸層とし、GaAsを障壁層とする１次元量子井戸構造と
する。なお、組成比とは、インジウムガリウム砒素をInXGa1-XAsの式で表した場合には、ｘが0.05から0.13という意味である。
【００２０】
図４に本実施形態の構造における伝導帯端および価電子帯端のバンドプロファイルを示す。量子井戸構造を挟み込んでいるp型GaAs電極層とn型GaAs電極層との間に正の電位差を加えると、n型GaAs電極層からは電子（e）が、p型GaAs電極層からはホール（h）がそれぞれ量子井戸構造の伝導帯および価電子帯量子準位へ供給される。
【００２１】
電子とホールは量子井戸構造内においてバンド間緩和し、その際光を発する。量子井戸構造内の量子準位間エネルギー差と量子ドット内のそれとが略一致する場合、量子井戸構造から発せられた光は励起光となって量子ドット内で量子準位間をサブバンド間励起し、伝導帯量子準位に電子が、価電子帯量子準位にホールが生成される。
【００２２】
その結果、伝導帯量子準位（伝導帯端の窪み）に励起された電子が蓄積されることになる。このような状態で、赤外線が量子ドット積層構造に入射すると、伝導帯量子準位で束縛されている電子が束縛状態から開放され、量子井戸構造からの光による励起がない場合と比較して、検知される光電流が増加することになる。このようにして、図３および図４に示した構造によれば、量子ドット内の伝導帯量子準位に光電流の基となる電子が不純物の添加によらず価電子帯からの励起により供給されることとなるため、赤外線が入射したときに発生する光電流が増加する。
【００２３】
なお、量子ドットの量子準位間エネルギー差は概ね±50meVのエネルギー分布を持つ。
すなわち、量子ドットの量子準位間エネルギー差は、±50meVの拡がりを持つため、この
エネルギー差の中心エネルギーに対し±50meVのエネルギー範囲内に、量子井戸構造の量
子準位間エネルギー差を分布させても上記と同様の現象が起こるといえる。
【００２４】
すなわち、量子井戸構造の量子準位間エネルギー差が拡がりを有する場合も、結果として光電流が増加する。一方、0.05および0.13のIn組成を持つ厚さ10nmのInGaAsを井戸層、GaAs層を障壁層とする１次元量子井戸構造では、その量子準位間エネルギー差は液体窒素温度程度の温度においてそれぞれ1.45eV、1.35eVとなる。このため、In組成をこれらの範囲内に設定することで1.4eVに対し±50meVのエネルギー範囲内に量子準位間エネルギーを位置させることが可能となる。また、量子ドットにおける価電子帯と伝導帯の量子準位間エネルギー差と、１次元量子井戸構造における価電子帯と伝導帯の量子準位間エネルギー差との差異は、概ね±50meVのオーダーとなる。その結果、量子井戸構造で発光した光に
よって量子ドットでの光電流を増加させることができる。
【００２５】
ところで、量子ドット型赤外線検知器を流れる暗電流は、主に低電位側電極層（図４に
おいて0Vと記載）に対する量子ドット積層構造部分の伝導帯端（禁制帯との境界である伝導帯の下端）の盛り上がりに依存する。これは、この盛り上がりが低電位側電極層に位置する電子にとって障壁となることから、この盛り上がり量が大きいほど障壁エネルギーは高く、暗電流が小さくなることによる。
【００２６】
従来構造および本実施形態における量子ドット積層構造部はi型半導体であり、低電位
側電極層と量子ドット積層構造部によるni接合とみなすことができる。したがって、これらの構造では低電位側電極層に対する量子ドット積層構造部分の伝導帯端の盛り上がり量は概ね等しいといえるため、従来構造および本実施形態の構造とで、暗電流量も等しい。
【００２７】
一方、量子ドットや量子ドットを挟み込むi型GaAs層にn型不純物添加を行った場合は、量子ドット積層構造部は平均してみるとn−型半導体である。上記接合はnn接合となるた
め低電位側電極層に対する量子ドット積層構造部分の伝導帯端の盛り上がり量はni接合の場合より小さく、暗電流量は大きくなる。ni接合は弱いnp接合というべき性質があり、n
型領域からi型領域への電子が拡散することにより、伝導帯端の負方向への盛り上がりを
形成し、一方、nn接合の場合にはそのような伝導帯端の盛り上がりはni接合に比べ小さくなるからである。
【００２８】
したがって、量子ドットやその近傍にn型不純物を行うことによって量子ドット内の伝
導帯量子準位への電子の供給は増え、光電流の増加が見込まれるものの、同時に暗電流も増加するため、これらの方法では検知器性能としての光電流／暗電流比の改善は充分ではない。
【００２９】
しかしながら、本実施形態の構造では、そのようなn型不純物添加は不要となるため、
暗電流量を増加させることなく光電流のみを増加させることができる。このため、従来構造や他の手段に比べ充分な光電流／暗電流比の改善が実現される。
【００３０】
＜実施形態１＞
図５に本発明の実施形態１に係る赤外線検知器の量子ドットの構造を示す。例えば分子線エピタキシャル法によりGaAs基板上にp型GaAs層を基板温度、例えば摂氏600度で成長する。厚さは例えば1000 nmとし、p型不純物として例えばBeを用いその濃度は例えば2×1018 / cm3とする。
【００３１】
引き続き基板温度摂氏600度でi型GaAs層、i型InGaAs層、i型GaAs層を順に成長する。GaAs層の厚さは例えば50nm、InGaAs層の厚さは例えば10nmとする。InGaAs層のIn組成については範囲0.05〜0.13に含まれるよう、例えば0.09とする。
【００３２】
引き続きn型GaAs層を基板温度摂氏600度で成長する。厚さは例えば1000 nmとし、n型不純物として例えばSiを用いその濃度は2×1018 / cm3とする。以上のように、基板温度と
しては、分子線エピタキシャル法による結晶成長に適した温度、例えば摂氏６００度に制御すればよい。
【００３３】
続いてi型GaAs層を成長する。厚さは例えば50nmとし、この層を成長する間に基板温度
を摂氏600度から例えば摂氏500度に低下させる。
【００３４】
基板温度を摂氏500度に維持したまま、成長速度が例えば0.2 ML/s (原子層/秒)となる
ようにInAsを供給する。ある程度の量を供給することによりInAsに加わる圧縮歪が増し、InAsが３次元成長して量子ドットが形成される（自己形成法）。ここで、基板温度を低下させたのは、量子ドット構造を形成しやすくするためのである。すなわち、基板温度が高い場合には、基板表面において供給したInAs材料の移動距離が長くなるため、InAsが局所
的にまとまって３次元成長する現象が起こりにくくなる。基板温度を摂氏５００度程度とすることにより、基板表面において供給したInAs材料の移動距離が長くなることを低減した上でInAsによる３次元成長を促すことができる。
【００３５】
引き続き基板温度を摂氏500度に維持したまま、i型GaAs層を例えば厚さ50 nm成長する
。量子ドット層の積層数を全体で例えば１０層とするため、この後InAs供給とi型GaAs層
成長とを例えば９回繰り返す。ここで、最後のi型GaAs層を成長する間に基板温度を摂氏500度から摂氏600度に上昇させる。ここでは、すでに、量子ドット積層構造が形成されて
いるので、i型GaAs層の結晶成長により適した温度とするためである。引き続きn型GaAs層を基板温度摂氏600度で成長する。厚さは例えば1000 nmとし、n型不純物としてSiを用い
その濃度は2×1018/cm3とする。
【００３６】
フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより、中央に位置するn型GaAs電極層
までの掘削およびp型GaAs電極層までの掘削を行う。引き続き金属蒸着法により、２つのn型GaAs電極層にはAuGe/Ni/Au電極形成を、p型GaAs電極層にはAuZn電極形成を行う。なお
、ここで、AuGe/Ni/Auとは、金ゲルマニウム合金、ニッケル、および金をそれぞれ積層したものをいう。
【００３７】
図６に、電極層が形成された量子ドット型赤外線検知器構造を示す。n型GaAs電極層間
に電位差を加えてその間に流れる電流を計測することで赤外線入射時の電流変化を観測することができ、赤外線検知器として機能させることができる。
【００３８】
そして、中央に位置するn型GaAs電極層に対して正の電位差をp型GaAs電極層に加えることで、量子井戸構造においてバンド間緩和による励起光発光を起こすことができる。
【００３９】
＜実施形態の効果＞
本実施形態の構造によれば、量子井戸構造は、その量子井戸構造の伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差と同程度とする。ここで、この２つのエネルギー差の差分値は、量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差の分布する拡がりの程度とする。
【００４０】
具体的には、量子井戸構造内のエネルギー差は、量子ドット内のエネルギー差に対して±50meVのエネルギー範囲内とする。このようなエネルギー差とすることにより、量子井
戸構造に電流を流すことによって発生する光の波長は、量子ドット内の価電子帯量子準位にある電子を伝導帯量子準位に効果的に励起できる。
【００４１】
したがって、従来のように、量子ドット積層構造にn型不純物を注入する方法によるこ
となく、量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な電子を供給できる。その結果、暗電流を増加させることなく、入射赤外線量に対する発生光電流値を増加でき、結果として、検出感度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来構造における、量子ドット型赤外線検知器の構造図である。
【図２】従来構造における、量子ドット型赤外線検知器のバンドプロファイルである。
【図３】量子ドット型赤外線検知器の構造図
【図４】量子ドット型赤外線検知器のバンドプロファイルである。
【図５】本発明の一実施形態に係る量子ドットの構造を示す断面図である。
【図６】実施形態１による電極層が形成された赤外線検知器構造を示す図である。
【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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