(57)【要約】【課題】赤外感知部分に量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器に関し、低電流領域における感度低下が少なく感度特性の良好な赤外線検出器を提供する。【解決手段】半導体基板１０上に形成されたコンタクト層１２と、コンタクト層１２上に形成され、中間層と量子ドットとが交互に繰り返して積層されてなる量子ドット層２４と、量子ドット層２４上に形成されたコンタクト層２６とを有し、複数の中間層のうちコンタクト層に接する中間層は、コンタクト層１２との間の界面側にＮ型不純物が導入された不純物導入領域１６を有する。【選択図】図１
2008187003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記第１の半導体材料よりなる複数の中間層と、前記第１の半導体材料よりもバンド幅の狭い第２の半導体材料よりなる複数の量子ドットとが交互に繰り返して積層されてなる量子ドット層と、
前記量子ドット層上に形成された第２のコンタクト層とを有し、
複数の前記中間層のうち前記第１のコンタクト層に接する前記中間層は、前記第１のコンタクト層との間の界面側にＮ型不純物が導入された不純物導入領域を有する
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
請求項１記載の赤外線検出器において、
前記不純物導入領域は、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駆動電圧を印加した状態において、前記不純物導入領域による電位降下量をＶ１、前記中間層内におけるΓ伝導体とΓ伝導体に近接する他の伝導帯とのエネルギー差をＥ０として、
Ｖ１＜Ｅ０
の関係を満たすように、厚さ及び不純物濃度が規定されている
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項３】
請求項１記載の赤外線検出器において、
前記不純物導入領域は、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駆動電圧を印加した状態において、電荷素量をｅ、前記不純物導入領域の不純物濃度をＮｄ、前記中間層の誘電率をε、前記不純物導入領域の厚さをｔ、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隔をＬ、前記駆動電圧をＶ０、前記中間層内におけるΓ伝導体とΓ伝導体に近接する他の伝導帯とのエネルギー差をＥ０として、
（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０＜Ｅ０
の関係を満たすように、厚さｔ及び不純物濃度Ｎｄが規定されている
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線検出器において、
前記不純物導入領域は、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駆動電圧を印加した状態において、前記駆動電圧をＶ０、前記不純物導入領域による電位降下量をＶ１、前記中間層の厚さをｌ、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隔をＬ、前記不純物導入領域の厚さをｔ、前記中間層内におけるΓ伝導体とΓ伝導体に近接する他の伝導帯とのエネルギー差をＥ０として、
（（Ｖ０−Ｖ１）ｌ）／（Ｌ−ｔ）＜Ｅ０
の関係を満たすように、厚さ及び不純物濃度が規定されている
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線検出器において、
前記不純物導入領域は、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駆動電圧を印加した状態において、前記駆動電圧をＶ０、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隔をＬ、前記不純物導入領域の厚さをｔ、前記中間層内におけるΓ伝導体とΓ伝導体に近接する他の伝導帯とのエネルギー差をＥ０、電荷素量をｅ、前記不純物導入領域の不純物濃度をＮｄ、前記中間層の誘電率をεとして、
Ｖ０−（（Ｌ−ｔ）／ｌ）Ｅ０＜（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０
の関係を満たすように、厚さｔ及び不純物濃度Ｎｄが規定されている
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検出器において、
前記Γ伝導体に近接する他の伝導帯は、Ｘ伝導帯又はＬ伝導帯である
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の赤外線検出器において、
前記第１の半導体材料は、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓであり、
ことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の赤外線検出器において、
前記第２の半導体材料は、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓである
ことを特徴とする赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器に係り、特に、赤外感知部分に量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出器の一つとして、赤外感知部分に量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検出器が提案されている。量子ドット型赤外線検出器は、赤外感知部分に量子井戸を用いた量子井戸型赤外線検出器と比較して、素子面に垂直に入射する赤外光に対する検出感度が高い、光励起されたキャリアが再び捕獲される確率が少なく光電流利得が高い、などの利点を有している。このため、大きな光電流、つまり感度が得られる赤外線検出器として期待されている。
【０００３】
光電流が大きい検出器では、比較的高い動作温度でも雑音源となる暗電流（動作温度に対して指数関数的に増大する）に埋もれずに信号電流を検出できるため、暗電流抑制のために検出器を冷却する必要が少なくなる。したがって、冷却装置を簡素化することができ、赤外線検出器の小型化並びに低コスト化を図ることが可能となる。
【０００４】
なお、量子ドット型赤外線検出器は、例えば特許文献１や非特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平１０−２５６５８８号公報
【非特許文献１】V. Ryzhii, "The theory of quantum-dot infrared photodiodes", Semicond. Sci. Technol., Vol. 11, 1996, p.759
【非特許文献２】I. Vurgaftman et al., "Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys", Journal of Applied Physics, Vol. 89, No. 11, 2001, pp. 5815-5875
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
提案されている量子ドット型赤外線検出器としては、量子ドットとしてＩｎＡｓを、量子ドットを埋め込む中間層並びに電極層としてＧａＡｓを用いたものが知られている。しかしながら、このような量子ドット型赤外線検出器を実際に作製すると、期待されるほどの感度が得られなかった。
【０００６】
赤外線検出器としての動作を決める量子ドット内での量子閉じ込めは、量子ドットの材料であるＩｎＡｓと、その周りを取り囲んで量子ドットを埋め込んでいるＧａＡｓ中間層との間の電位障壁高さで決まる。期待されるよりも感度が低いことは、この量子閉じ込めのための電位障壁高さが不十分であることが、その一つの原因であると考えられる。したがって、量子ドット型赤外線検出器の感度を向上するためには、ＧａＡｓ中間層よりもバンド幅の大きな材料、例えばＡｌＧａＡｓ中間層を用いることが有効であると考えられる。
【０００７】
しかしながら、このような構造にすることによって確かに全体的には感度が向上するのであるが、信号雑音特性のよい低電流領域での感度改善が相対的に劣化することが判明した。
【０００８】
図１０は量子ドット型赤外線検出器の動作電圧を変えたときの感度と暗電流との関係を模式的に示した図である。図中、点線が中間層としてＧａＡｓを用いた場合、実線が中間層としてＡｌＧａＡｓを用いた場合である。
【０００９】
中間層としてＧａＡｓよりもバンド幅の大きなＡｌＧａＡｓを用いた場合、ＧａＡｓ中間層を用いた場合の特性と同様の傾きを有する特性（図中、破線で示す）が期待される。しかしながら、実際に作製した素子では、実線で示すように、低電流領域において相対的に感度が低下してしまう。赤外線検出器は、良い信号雑音特性を得るために、このような低い電流領域を用いることが多いため、この領域での感度の相対的な低下は重大な問題である。
【００１０】
本発明の目的は、赤外感知部分に量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器に関し、低電流領域における感度低下が少なく感度特性の良好な赤外線検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、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、前記第１の半導体材料よりなる複数の中間層と、前記第１の半導体材料よりもバンド幅の狭い第２の半導体材料よりなる複数の量子ドットとが交互に繰り返して積層されてなる量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成された第２のコンタクト層とを有し、複数の前記中間層のうち前記第１のコンタクト層に接する前記中間層は、前記第１のコンタクト層との間の界面側にＮ型不純物が導入された不純物導入領域を有する赤外線検出器が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、赤外感知部分に量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器において、量子ドットを埋め込む中間層と電極層との間に、電極層側からの電子の注入を促進し、電子がΓ伝導体以外の伝導帯に散乱されるのを抑制するための不純物導入層を形成するので、中間層としてＡｌＧａＡｓのようなバンド幅の広い材料を用いて量子閉じ込め効果を向上した場合にも、低電流領域における相対的な感度の低下を抑制することができる。これにより、赤外線検出器の感度特性を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施形態による赤外線検出器及びその製造方法について図１乃至図９を用いて説明する。
【００１４】
図１は本実施形態による赤外線検出器の構造を示す概略断面図、図２はＡｌＧａＡｓにおけるΓ帯からのエネルギー高さ及びＧａＡｓに対する電位障壁高さのＡｌ組成に対する依存性を示すグラフ、図３は中間層としてＧａＡｓ又はＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓを用いた赤外線検出器の動作状態を模式的に表すエネルギーバンド図、図４は中間層が感度改善に必要なだけの高いＡｌ組成のＡｌＧａＡｓを用いた赤外線検出器の動作状態を模式的に表すエネルギーバンド図、図５は本実施形態による赤外線検出器の原理を示すエネルギーバンド図、図６は不純物導入層の最適化のための検討に用いたエネルギーバンド構造のモデルを示す図、図７は本実施形態による赤外線検出器の評価結果を示すグラフ、図８及び図９は本実施形態による赤外線検出器の製造方法を示す工程断面図である。
【００１５】
はじめに、本実施形態による赤外線検出器の構造について図１乃至図７を用いて説明する。
【００１６】
ＧａＡｓよりなる半導体基板１０上には、例えば膜厚１００ｎｍのＧａＡｓ層よりなる緩衝層１２が形成されている。緩衝層１２上には、例えば膜厚５００ｎｍのＧａＡｓ層よりなる下部コンタクト層１４（第１のコンタクト層）が形成されている。
【００１７】
下部コンタクト層１４上には、例えば膜厚１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ層よりなる不純物導入層１６（不純物導入領域）が形成されている。不純物導入層１６には、Ｎ型の導電型を示す不純物が導入されている。不純物として例えばシリコンを用いる場合、III族元素のサイトにシリコンが入ることで、Ｎ型となる。不純物導入層１６上には、例えば膜厚４０ｎｍのＡｌＧａＡｓ層よりなる下地層１８が形成されている。なお、本実施形態では、便宜上、不純物導入層１６と下地層１８とを区別しているが、不純物導入層１６は、下地層１８の一部分の、不純物が導入された領域と考えることができる。
【００１８】
下地層１８上には、量子ドット積層体２４が形成されている。量子ドット積層体２４（量子ドット層）は、ＩｎＡｓよりなる量子ドット２０と、例えば膜厚５０ｎｍのＡｌＧａＡｓよりなる中間層２２とを繰り返し（例えば１０回）積層することにより構成されている。なお、本実施形態では、便宜上、下地層１８と量子ドット積層体２４とを区別しているが、下地層１８は中間層２２と同じく量子ドット２０を埋め込み障壁層として機能するものであり、機能的には、中間層の一部分、すなわち量子ドット積層体２４の一部分でもある。かかる観点から、本願明細書では、不純物導入層１６及び下地層１８を、中間層と呼ぶこともある。
【００１９】
量子ドット積層体２４上には、例えば膜厚１５０ｎｍのＧａＡｓ層よりなる上部コンタクト層２６（第２のコンタクト層）が形成されている。下部コンタクト層１４の一部の領域上は、上部コンタクト層２６、量子ドット積層体２４、下地層１８及び不純物導入層１６が除去されており、この領域の下部コンタクト層１４上に、下部電極層２８が形成されている。上部コンタクト層２６上には、上部電極層３０が形成されている。
【００２０】
このように、本実施形態による赤外線検出器は、量子ドットがＩｎＡｓにより構成され、量子ドットを埋め込む中間層がＡｌＧａＡｓにより構成された量子ドット型赤外線検出器において、下部コンタクト層１４と下地層１８との間に、不純物導入層１６が形成されていることに主たる特徴がある。
【００２１】
以下に、下部コンタクト層１４と下地層１８との間に不純物導入層１６を形成する理由及び効果について説明する。
【００２２】
上述のように、量子ドットとしてＩｎＡｓを用いた赤外線検出器において、中間層をＧａＡｓからＡｌＧａＡｓに変更すると、低電流領域における感度が相対的に低下する。本願発明者が鋭意検討を行った結果、感度が低下する原因は、中間層の材料変更に伴う本質的な現象であることを突き止めた。
【００２３】
一般的な半導体デバイスでは、考察する電子のエネルギーが比較的低いため、半導体中の伝導帯として、通常はいわゆるΓ伝導帯（Γ帯）のみを考える。しかしながら、実際には、よりエネルギー的に高い領域に、Ｌ帯やＸ帯と呼ばれる伝導帯が存在する。
【００２４】
図２は、Ｘ帯及びＬ帯の、Γ帯からのエネルギー高さ及びＧａＡｓに対する電位障壁高さについての、ＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成に対する依存性を示すグラフである。なお、計算に用いた物性定数は、非特許文献２に記載されたものを用いた。ＧａＡｓに対する障壁高さは、バンド幅の差に対して伝導帯側の寄与がその６０％であるとしている。また、素子温度は、７７Ｋを仮定した。
【００２５】
図２から判るように、ＡｌＧａＡｓ中間層でのＡｌ組成を増加させることにより、Γ帯で形成されるＧａＡｓに対する電位障壁高さは増加するが、Γ帯からみたＸ帯及びＬ帯のエネルギー高さは減少している。このため、Ａｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ中間層を用いる場合、Ｘ帯及びＬ帯の影響も無視できなくなる。
【００２６】
図３及び図４は、このような場合の素子動作について模式的に表したエネルギーバンド図である。図３は中間層がＧａＡｓ又はＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓの場合であり、図４は中間層が感度改善に必要なだけの高いＡｌ組成のＡｌＧａＡｓの場合である。
【００２７】
なお、図３及び図４では、量子ドット部分でのＸ帯及びＬ帯と、中間層部分でのＸ帯及びＬ帯との間におけるエネルギーの差違を省略している。これは、そもそも量子ドット赤外線検出器としての伝導帯の電位分布は、Γ帯を基準として設計がなされるものであり、Ｘ帯及びＬ帯において電子がどのように伝導しようとも、Γ帯に電子が戻ってこない限り、ここでの議論には本質的ではないことによる。
【００２８】
図３に示すように、中間層がＧａＡｓ又は比較的低いＡｌ組成のＡｌＧａＡｓの場合、Γ帯に対してＸ帯或いはＬ帯の伝導帯はエネルギー的に十分に高い位置にあるため、電極層（図面、左側）から注入された電子は、概ねΓ帯にとどまって素子内を伝導していくため、量子ドット層内に捕獲されやすい。
【００２９】
これに対し、中間層が、感度改善に必要なだけの高いＡｌ組成のＡｌＧａＡｓの場合、図４に示すように、Ｘ帯又はＬ帯の伝導帯がエネルギー的にΓ帯に近づくため、電極層（図面、左側）から注入された電子の一定部分が、Ｘ帯又はＬ帯の伝導帯に散乱される。したがって、主にΓ帯で設計されている量子ドット部分に捕獲されにくくなり、感度が低下する。
【００３０】
更に、中間層をＡｌＧａＡｓのような障壁の高い材料とした場合、電極層から電子が注入されるためにはより高いエネルギーを必要とする。その結果、同じ暗電流値で比較した場合、中間層をバンド幅の大きな材料とした素子では、より高い電圧を印加する必要が生じる。このことは、電子がＸ帯又はＬ帯に散乱されるのに必要なエネルギーを得ることを更に促進し、ひいては感度の相対的な低下を促進してしまう。
【００３１】
ところで、そもそもバンド幅の大きな中間層を導入する目的は、量子ドットにおける量子閉じ込め効果の強調によって感度を増加させることにある。したがって、上述の感度劣化の問題は、中間層の電位障壁を高いまま維持しつつ、電極層と中間層との間における電子の注入を促進することで、解決することができる。
【００３２】
そこで、本実施形態による赤外線検出器では、下部コンタクト層１４と下地層１８との間に、ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６を設けている。ＧａＡｓ下部コンタクト層１４と下地層１８との間の所定領域に所定濃度の不純物導入層１６を設けることにより、不純物導入層１６が形成された領域での電位分布を変化することができ、下部コンタクト層１４側からの電子の注入を促進することができる。
【００３３】
中間層を電極層（コンタクト層）に比較してバンド幅の大きな材料とした場合、中間層の電極層に接した近傍の領域に不純物を導入すると、イオン化したその不純物による空間電荷によって電位分布が曲がる。例えば図１に示すように、下部コンタクト層１４と下地層１８との間にＮ型不純物が導入された不純物導入層１６を設けると、不純物導入層１６中のイオン化した不純物による空間電荷により、不純物導入層１６内の伝導帯のエネルギーが低エネルギー側にシフトする（図５参照）。
【００３４】
これにより、不純物導入層１６が形成された領域の電位障壁が実効的に薄くなり、トンネル電流が生じやすくなる。この結果、一定の素子印加電圧での素子電流が増加する。また、下部コンタクト層１４側から注入された電子は、不純物導入層１６の電位障壁の上を超えることなくトンネリングによって流れることが可能となり、電子がＸ帯又はＬ帯に散乱されるほどのエネルギーを得ることを防止することが可能となる。
【００３５】
次に、このような効果を奏する不純物導入層１６に好適な不純物濃度Ｎｄ及び厚さｔについて検討する。この検討にあたり、図６に示すようなエネルギーバンド構造のモデルを考える。図中、Ｌは電極部分（コンタクト層）に挟まれた活性領域の厚さ（素子長）であり、ｌは量子ドットの１周期に相当する距離である。
【００３６】
体積密度Ｎｄの空間電荷を持つ領域の電位分布Ｖは、ｅを電荷素量、εをその領域の誘電率として、下記のポアソン方程式で記述される。
【００３７】
ｄ２Ｖ／ｄｘ２＝ｅＮｄ／ε
素子に印加する電圧をＶ０としたとき、下部コンタクト層１４と不純物導入層１６との間の電位障壁の頂点（図中、Ａ点）からみた不純物導入層１６の端部との電位差Ｖ１（図６参照）は、ポアソン方程式を解くことにより、
Ｖ１＝（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０
と求めることができる。なお、ここでは、Ｖ１≪Ｖ０とした近似を用いている。
【００３８】
したがって、この電位差Ｖ１が、Γ帯とＸ帯とのエネルギー差（図中、ΔＥｇＸ）及びΓ帯とＬ帯とのエネルギー差（図中、ΔＥｇＬ）のうち低い方（これをエネルギー差Ｅ０とする）よりも小さければ、少なくとも、図６のＡ点から注入された電子がそのままＸ帯又はＬ帯に注入されてしまうことを抑制することができる。したがって、下記の式（１）は、不純物導入層１６に導入すべき不純物の濃度Ｎｄ及びその領域幅ｔの上限値を与える。
【００３９】
（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０＜Ｅ０  …（１）
なお、式（１）の左辺第１項は、一様な空間電荷状態での電位分布を示すものであり、ｘ＝ｔでの電位と電界＝０という境界条件によりポアソン方程式から求められるものである。この境界条件が、上述のＶ１≪Ｖ０とする近似に該当する。また、式（１）の左辺第２項は、この近似に対する補正項であり、ｘ＝０からｘ＝ｔでの間でのバイアス電圧Ｖ０による電位変化分（線形近似）を考慮したものである。
【００４０】
式（１）を満たす不純物導入層１６を設けることによって、低電圧での暗電流を確保しつつ、下部コンタクト層１４側から注入される電子がＸ帯又はＬ帯に散乱されてしまい量子ドット型赤外線検出器の感度に寄与しなくなることを抑制することが可能となる。
【００４１】
ところで、通常このような量子ドット型赤外線検出器では、十分な量子効率を得るために、複数の量子ドット層を、中間層を介して積層した構造を用いることが多い。図１に示す本実施形態による赤外線検出器も同様である。この場合、素子内に存在する電子が、素子内の内部電界によって加速され、十分なエネルギーを得ると、やはりＸ帯やＬ帯に散乱され、より下流の量子ドットに捕獲されにくくなる。
【００４２】
活性領域を流れる電子は、いわゆる濡れ層などの影響により、このような量子ドット積層構造（量子ドット積層体２４）の１周期相当以上の距離を、何らの散乱もされずに伝達することは考え難い。したがって、電子が量子ドット積層体２４の１周期分の距離ｌを流れる間に得るエネルギーの最大値が、やはりエネルギー差Ｅ０を超えないように素子内電位分布を設計すれば、本発明の効果はより十分に発揮できる。
【００４３】
不純物導入層１６により、電位差Ｖ１分の電位効果が生じる。したがって、不純物導入層１６は、素子内部での電界を電位差Ｖ１相当分だけ低減する効果も持つ。このとき、電子が量子ドット積層体２４の１周期相当の距離を加速されることによって得るエネルギーの最大値Ｖ２は、
Ｖ２＝（（Ｖ０−Ｖ１）／（Ｌ−ｔ））×ｌ
であるから、
Ｖ０−（（Ｌ−ｔ）／ｌ）Ｅ０＜（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０  …（２）
を満たすことが、より望ましい。上記式（２）は、ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６に導入すべき不純物の濃度Ｎｄ及びその領域幅ｔの上限値を与える。
【００４４】
なお、（Ｖ０−Ｖ１）／（Ｌ−ｔ）は、不純物導入部分以外のところでの電圧Ｖ０による電界（一様電界と近似）であり、その電界中での距離ｌ離れた２点間の電位差（Ｖ２）が、電界×距離＝（Ｖ０−Ｖ１）／（Ｌ−ｔ）×ｌであることを表している。
【００４５】
以上の結果から、不純物導入層１６の不純物濃度Ｎｄ及び厚さｔは、素子に印加する電圧をＶ０、電極部分に挟まれた活性領域の厚さをＬ、中間層の厚さの最小値をｌ、中間層におけるΓ伝導体とΓ伝導体以外の伝導帯とのエネルギー差のうちの最小値をＥ０、電荷素量をｅ、中間層の誘電率をεとして、下記２式のうち少なくとも一方の関係を満たすように、適宜設定することが望ましい。
【００４６】
（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０＜Ｅ０
Ｖ０−（（Ｌ−ｔ）／ｌ）Ｅ０＜（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０
本実施形態による赤外線検出器では、素子長Ｌが５００ｎｍ、量子ドット２０の１周期相当の距離（中間層２２の厚さ）が５０ｎｍ、不純物導入層１６の厚さｔが１０ｎｍ、不純物導入層１６の不純物濃度Ｎｄが８．５×１０１７ｃｍ−３、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成が１５％では、中間層２２の比誘電率が１２．７、Γ伝導帯とＸ伝導帯又はＬ伝導帯との間のエネルギー差Ｅ０が１６３ｍＶであるため、素子に印加する電圧Ｖ０を１Ｖとすると、
Ｖ１＝（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０＝７８．８ｍＶ
となり、上記式（１）の関係を満たしている。また、
Ｖ２＝Ｖ０−（（Ｌ−ｔ）／ｌ）×Ｅ０＝−６２８ｍＶ
となり、上記式（２）の関係も満たしている。
【００４７】
図７に、本実施形態による赤外線検出器を実際に作製して評価した結果を示す。図中、○印は不純物導入層１６を形成していない従来構造の試料、●印は不純物導入層１６を形成した本発明の試料である。なお、赤外線検出器の素子サイズは５００μｍ角とし、測定温度は８０Ｋとした。
【００４８】
図７中に点線の○印で示した動作点は、Ｖ０＝２．２Ｖである。この場合、電位差Ｖ１，Ｖ２は、それぞれ、
Ｖ１＝（１／２）（ｅＮｄ／ε）ｔ２＋（ｔ／Ｌ）Ｖ０＝１０５ｍＶ
Ｖ２＝Ｖ０−（（Ｌ−ｔ）／ｌ）×Ｅ０＝５７２ｍＶ
となり、式（１）の関係は満たすが、式（２）の関係は満たしていない。しかしながら、図７から明らかなように、不純物導入層１６を形成した本発明の試料では、不純物導入層１６を形成しない従来構造の試料と比較して、低電流領域での相対的な感度の低下を抑制できていることが判る。
【００４９】
上記式（１）の関係及び式（２）の関係は、必ずしも双方ともに満たす必要はなく、少なくとも一方の関係を満たすように不純物導入層１６を設計することにより、本発明の効果を得ることができる。
【００５０】
次に、本実施形態による赤外線検出器の製造方法について図８及び図９を用いて説明する。
【００５１】
まず、ＧａＡｓ基板１０上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法により、ＧａＡｓ緩衝層１２を成長する。ＧａＡｓ緩衝層１２の膜厚は、素子構造設計によって異なるが、例えば１００ｎｍとする。
【００５２】
次いで、ＧａＡｓ緩衝層１２上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法により、ＧａＡｓ下部コンタクト層１４を成長する（図８（ａ））。ＧａＡｓ下部コンタクト層１４の膜厚は、素子構造設計によって異なるが、例えば５００ｎｍとする。ＧａＡｓ下部コンタクト層１４へのドーピングは、不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。
【００５３】
次いで、ＧａＡｓ下部コンタクト層１４上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法により、例えば５８０℃の基板温度で、ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６を成長する（図８（ｂ））。ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６の膜厚は、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、例えば１０ｎｍとする。また、ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６へのドーピングは、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば８．５×１０１７ｃｍ−３とする。また、ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６の組成は、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、Ａｌ組成を例えば１５％とする。
【００５４】
次いで、ＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法により、例えば５８０℃の基板温度で、ＡｌＧａＡｓ下地層１８を成長する。ＡｌＧａＡｓ下地層１８の膜厚は、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、例えば４０ｎｍとする。また、ＡｌＧａＡｓ下地層１８の組成は、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、Ａｌ組成を例えば１５％とする。
【００５５】
次いで、ＡｌＧａＡｓ下地層１８上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法を用いた自己組織化成長により、ＩｎＡｓ量子ドット２０を成長する。ＩｎＡｓ量子ドット２０は、例えば４７０℃の基板温度にて、総供給量が例えば２．３分子層相当の原料を、例えば０．２分子層毎秒の速度で供給することにより、成長する。この条件で成長したＩｎＡｓ量子ドット２０の形状は、同じ成長条件の試料を評価したところ、高さが１．４ｎｍ、横幅が１６ｎｍであった。
【００５６】
次いで、ＩｎＡｌ量子ドット２０が形成されたＡｌＧａＡｓ下地層１８上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法により、例えば５８０℃の基板温度で、ＡｌＧａＡｓ中間層２２を成長する（図８（ｃ））。ＡｌＧａＡｓ中間層２２の膜厚は、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、例えば５０ｎｍとする。また、ＡｌＧａＡｓ中間層２２の組成は、目的とする量子ドット型赤外線検出器の特性によって異なるが、Ａｌ組成を例えば１５％とする。
【００５７】
次いで、ＡｌＧａＡｓ中間層２２上に、上記の手順と同様にして、ＩｎＡｓ量子ドット２０とＡｌＧａＡｓ中間層２２とを、所望の回数、例えば１０回繰り返して成長し、ＩｎＡｓ量子ドット２０とＡｌＧａＡｓ中間層２２とが繰り返し積層されてなる量子ドット積層体２４を形成する。
【００５８】
次いで、量子ドット積層体２４上に、周知の結晶成長技術、例えば分子線エピタキシー法により、ＧａＡｓ上部コンタクト層２６を成長する（図９（ａ））。ＧａＡｓ上部コンタクト層２６の膜厚は、素子構造設計によって異なるが、例えば１５０ｎｍとする。ＧａＡｓ上部コンタクト層２６へのドーピングは、不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。
【００５９】
次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、下部電極の形成予定領域のＧａＡｓ上部コンタクト層２６、量子ドット積層体２４、ＡｌＧａＡｓ下地層１８及びＡｌＧａＡｓ不純物導入層１６を除去し、ＧａＡｓ下部コンタクト層１４の表面を露出する。
【００６０】
次いで、例えば蒸着法やスパッタ法等により、露出したＧａＡｓ下部コンタクト層１４条及びＧａＡｓ上部コンタクト層２６上に、それぞれ下部電極層２８及び上部電極層３０を形成し、本実施形態による赤外線検出器を完成する（図９（ｂ））。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、下部コンタクト層１４と下地層（中間層）１８との間に、下部コンタクト層１４側からの電子の注入を促進し、電子がΓ伝導体以外の伝導帯に散乱されるのを抑制するための不純物導入層１６を形成するので、中間層としてＡｌＧａＡｓのようなバンド幅の広い材料を用いて量子閉じ込め効果を向上した場合にも、低電流領域における相対的な感度の低下を抑制することができる。これにより、赤外線検出器の感度特性を改善することができる。
【００６２】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００６３】
例えば、上記実施形態では、赤外線検出器の製造に分子線エピタキシー法を用いた場合を例にして説明したが、赤外線検出器の製造には量子ドットの形成が可能な他の結晶成長法を用いることも可能である。このような結晶成長法としては、例えば有機金属気相成長法が挙げられる。
【００６４】
また、上記実施形態では、ＩｎＡｓよりなる量子ドットとＡｌＧａＡｓよりなる量子ドット埋め込み層との組み合わせにより構成した量子ドット型赤外線検出器を示したが、量子ドットの材料と量子ドット埋め込み層の材料との組み合わせは、上記実施例に限定されるものではない。例えば、量子ドットとしては、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＧａＡｓ等の材料を適用することができ、量子ドット埋め込み層としては、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ等の材料を適用することができる。
【００６５】
量子ドット／量子ドット埋め込み層の具体的な組み合わせ例としては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
【００６６】
また、上記実施形態では、活性領域内で電子がＸ伝導帯又はＬ伝導帯に散乱される場合を例にして説明したが、Γ伝導体に近接する他の伝導帯に電子が散乱される場合についても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線検出器の構造を示す概略断面図である。
【図２】ＡｌＧａＡｓにおけるΓ帯からのエネルギー高さ及びＧａＡｓに対する電位障壁高さのＡｌ組成に対する依存性を示すグラフである。
【図３】中間層としてＧａＡｓ又はＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓを用いた赤外線検出器の動作状態を模式的に表すエネルギーバンド図である。
【図４】中間層が感度改善に必要なだけの高いＡｌ組成のＡｌＧａＡｓを用いた赤外線検出器の動作状態を模式的に表すエネルギーバンド図である。
【図５】本発明の一実施形態による赤外線検出器の原理を示すエネルギーバンド図である。
【図６】不純物導入層の最適化のための検討に用いたエネルギーバンド構造のモデルを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による赤外線検出器の評価結果を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態による赤外線検出器の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図９】本発明の一実施形態による赤外線検出器の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１０】量子ドット型赤外線検出器の動作電圧を変えたときの感度と暗電流との関係を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０…半導体基板
１２…緩衝層
１４…下部コンタクト層
１６…不純物導入層
１８…下地層
２０…量子ドット
２２…中間層
２４…量子ドット積層体
２６…上部コンタクト層
２８…下部電極層
３０…上部電極層
【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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【図９】
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【図１０】
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