(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドット下地層と、
前記量子ドット下地層上に形成された量子ドット層と、
前記量子ドット層上に形成された組成変化埋め込み層と、
前記組成変化埋め込み層上に形成された半導体層を備え、
前記組成変化埋め込み層の伝導帯端のエネルギーが、ゼロバイアス下において前記量子ドット層側から前記半導体層側に向かって増加し、
前記量子ドット層と前記組成変化埋め込み層の間に、バンドギャップが一定の層を有し、前記バンドギャップが一定の層は前記量子ドット層側では前記量子ドット層よりも広バンドギャップであり、前記組成変化埋め込み層と接する側では前記組成変化埋め込み層のバンドギャップと略等しいバンドギャップを有することを特徴とする量子ドット型赤外線検出器。
【請求項２】
前記組成変化埋め込み層と前記半導体層は、両者が接する箇所において伝導帯端のエネルギーが略一致する請求項１に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項３】
前記組成変化埋め込み層の伝導帯端のエネルギーは連続的に変化することを特徴とする請求項１または２に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項４】
前記組成変化埋め込み層の最も前記半導体層寄りの組成が、前記半導体層の組成と一致していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項５】
前記量子ドット層及び前記組成変化埋め込み層を含むユニットが複数積層された請求項１から４のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項６】
前記組成変化埋め込み層と前記量子ドット層との間に、最も前記量子ドット層寄りの前記組成変化埋め込み層より広バンドギャップの障壁層を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項７】
前記障壁層のバンドギャップは前記量子ドット下地層のバンドギャップと同じか狭い請求項６に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項８】
前記障壁層の厚さは５ｎｍ以下である請求項６または７に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項９】
前記量子ドット層側に比べて前記組成変化埋め込み層側に高い電位を印加して動作させる請求項１から８のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【請求項１０】
前記量子ドット層がInAs、前記組成変化埋め込み層がInGaAs、前記量子ドット下地層と前記半導体層がGaAsであり、前記組成変化埋め込み層の膜厚を12〜35ｎｍとする請求項１から９のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット型赤外線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
室温付近の物体の黒体輻射スペクトルは、波長にして１０μｍ程度にピークを持つ。そのため、波長が１０μｍ程度の遠赤外線を高い感度で検知する検出器が暗視装置やリモートセンシング応用の面から強く望まれている。過去、冷却型赤外線検出器としては、ＨｇＣｄＴｅ系の材料を用いた直接遷移型赤外線検出装置が主に使われてきた。しかしながらその材料には、基板を大面積にした場合に均質性が乏しくなり、加工プロセスも困難であるという課題があり、それが赤外線検出器の価格を押し上げる要因となっていた。一方で、近年の半導体結晶成長技術の進展と成熟に伴い、特にＧａＡｓ等のIII−Ｖ族半導体では均質性の高い大面積基板が低価格で提供されるようになり、これを用いた半導体赤外線検出器（例えば量子井戸型赤外線検出器：非特許文献１）が開発されてきた。非特許文献１は、GaAs/AlxGa1-xAsの超格子量子井戸を用いた赤外線検出器である。
【０００３】
このようなIII−Ｖ族半導体赤外線検出器の中でも、光吸収層として量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検出器が近年頓に注目を集めている。以下に、量子ドットと、それを用いた量子ドット型赤外線検出器の動作原理について簡単に説明する。
【０００４】
量子ドットは大きさがナノメートルサイズの３次元的な微小構造であり、ここでは異なる組成の半導体結晶の接合界面における格子定数の違いによる歪みを解消するために自然に形成される（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード、以下Ｓ−Ｋ）ものを指す。この様なＳ−Ｋモードで形成される半導体量子ドットはＳ−Ｋ量子ドットと呼ばれている。Ｓ−Ｋ量子ドットは一般に、周囲の半導体のバンドギャップに比べて狭バンドギャップの半導体材質で作製される。そのヘテロ界面では、伝導帯や荷電子帯に不連続で急峻なギャップが生じてポテンシャルの井戸が形成される。量子ドット中の電子や正孔は、それらのド・ブロイ波長より小さな微小空間に、前記ポテンシャルの井戸によって３次元的に閉じ込められる。そのため量子ドット中の電子状態（および正孔状態）は、ちょうど水素原子の電子状態のように、離散化したエネルギー準位を持つ。このようなＳ−Ｋ量子ドットを多数含有する量子ドット層に入射した赤外線は、基底状態（前記離散化エネルギー準位のうち、最もエネルギーの低い準位）に保持されていたキャリア（電子または正孔）を、ドット内の高次の離散化準位に励起する。以後、この遷移をサブバンド間遷移と呼ぶ。量子ドット型赤外線検出器は、サブバンド間遷移した光キャリアを何らかの形でコンタクト電極まで到達させて電気信号として測定することにより、赤外線を検知することができる。
【０００５】
量子ドット型赤外線検出器は、前述した閉じ込めポテンシャルと離散化エネルギー準位に起因してキャリアの熱励起が強く抑制されるために熱雑音特性に優れ、信号・雑音比の高い赤外線検出が可能である。また、量子ドット型赤外線検出器は量子井戸型赤外線検出器とは異なり、キャリアが３次元的に閉じ込められているため、基板に垂直方向の入射光に対しても感度を有するという利点もある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】B. F. Levine, K. K. Choi, C. G. Bethea, J. Walker, and R. J. Malik Applied Physics Letters 50, 1092 (1987)” New 10μm infrared detector using intersubband absorption in resonant tunneling GaAlAs superlattices”
【非特許文献２】Eui−Tae Kim1, Zhonghui Chen1 and Anupam Madhukar1,Applied Physics Letters 79, 3341 (2001) ”Tailoring detection bands of InAs quantum−dot infrared photodetectors using InZGa1-ZAs strain−relieving quantum wells”
【非特許文献３】A. Amtout, S. Raghavan1, P. Rotella1, G. von Winckel1, A. Stintz1 and S. Krishna, Journal of Applied Physics 96, 3782 (2004), ”Theoretical modeling and experimental characterization of InAs/InGaAs quantum dots in a well detector”
【非特許文献４】A. V. Barve1, S. Sengupta1, J. O. Kim1, Y. D. Sharma1, S. Adhikary, T. J. Rotter1, S. J. Lee, Y. H. Kim and S. Krishna1,Applied Physics Letters 99, 191110 (2011),” Confinement enhancing barriers for high performance quantum dots−in−a−well infrared detectors”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、量子ドット型赤外線検出器の検出波長はドットのサブバンド間遷移エネルギーによって決まる。よって検出波長を長波長化（あるいは短波長化）しようと考えたとき、最も単純に考えればサブバンド間遷移エネルギーを変えればよいという発想に至る。量子ドットの基底状態と励起状態のエネルギー、ひいてはそのエネルギー差は、量子ドットの成長条件を変えてドットの大きさ・高さ・組成等を変更することによって調節することができる。しかし、目的のサブバンド間遷移エネルギーを持つ量子ドットの成長条件を見出すのは一般にそれほど容易ではない。
【０００８】
その代わりに、検出波長を長波長化（あるいは短波長化）するという目的から、例えば非特許文献２に開示されているような、量子ドットを量子井戸で埋め込んだDots-in-a-well（以下DWELL）構造が研究されてきた。図１２にDWELL構造の伝導帯模式図を示す。DWELL構造では量子ドット１２の基底状態１３から量子井戸１１の量子井戸準位１４への遷移エネルギーに対応した赤外線を検出する。そのため、量子ドットの成長条件（サイズや組成等）を変化させなくても、量子ドットより成長条件を詰めるのが容易な量子井戸準位１４を調節することで検知波長をある程度変えられるという利点がある。より具体的に記述すれば、DWELLの長波長化を図るためには、例えば量子井戸組成を狭バンドギャップ材料に変える、量子井戸を厚膜化する、といった方法がある。しかし、前者では中間層連続状態端（図１２の量子井戸下地層１０の伝導帯端）に比べて量子井戸準位がより深くなる。そのため光電子の取り出し効率が悪化して感度が低下する、また後者では量子井戸準位の波動関数がより広範囲に薄く広がるようになるため量子ドット準位の波動関数との重なりが小さくなり、遷移双極子モーメントが低下するため、赤外線検出の感度の低下をきたすという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、同じ波長を検知するDWELL構造よりも高感度な量子ドット型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】
【００１０】
本発明は、量子ドット下地層と、
前記量子ドット下地層上に形成された量子ドット層と、
前記量子ドット層上に形成された組成変化埋め込み層と、
前記組成変化埋め込み層上に形成された半導体層を備え、
前記組成変化埋め込み層は、前記量子ドット層側が前記量子ドットよりも広バンドギャップで前記量子ドット下地層よりも狭バンドギャップであり、前記半導体層側に向かってバンドギャップが前記半導体層と略等しくなるまで大きくなることを特徴とする量子ドット型赤外線検出器、である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、同じ波長を検知するDWELL構造よりも高感度な量子ドット型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】本発明の第１の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のゼロバイアス下での伝導帯模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のバイアス印加時の伝導帯模式図である。
【図３】DWELL構造のバイアス印加時の伝導帯模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の、組成変化埋め込み層のGa比率と、予測される検出波長を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の量子ドット型赤外線検出器の、検出波長と組成変化埋め込み層の好適な厚さを示した図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のゼロバイアス下での伝導帯模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のバイアス印加時の伝導帯模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のゼロバイアス下での伝導帯模式図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のバイアス印加時の伝導帯模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のゼロバイアス下での伝導帯模式図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のゼロバイアス下での伝導帯模式図である。
【図１２】DWELL構造の伝導帯模式図である。
【図１３】量子井戸のないタイプの量子ドット型赤外線検出器の伝導帯模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上記の課題を解決する安直な手段としては、図１２のようなDWELL構造ではなく、図１３のように量子ドット型赤外線検出器の量子ドット下地層１０（例えばGaAs）をより狭バンドギャップな材料（例えばDWELLで井戸層として使っていたInGaAs）に変える構造が考えられる。この構造では、量子ドット基底状態からInGaAsの伝導帯端の連続状態への遷移に対応する長波長の赤外線を検知できる。量子井戸準位への遷移ではなくInGaAsの伝導帯端連続状態への遷移を用いるため、DWELL構造で課題となった光取り出し効率の悪化や波動関数の重なりの低下は解消されると考えられる。しかしながら、このような構造を実際に結晶成長することを考慮すると、InGaAs層上のInAs量子ドットはGaAs層上のInAs量子ドットに比べて格子定数の差が小さいため、量子ドットをGaAs層上のInAs量子ドット成長とは異なる成長条件で量子ドットを形成しなくてはならない。GaAs層上のInAs量子ドットの成長は知見が蓄積されているが、同じサイズと密度のInAs量子ドットをInGaAs基板上に成長させる適切な成長条件を探すのは多大な労力が必要であり、最悪、適切な成長条件が存在しない可能性もある。
【００１４】
また、GaAsとInGaAsの間にはGaAsとInAsの間ほど大きくはないが、格子不整合が存在するため、InGaAsを厚く成長すると格子不整合に起因する歪の蓄積による転位の発生等により結晶成長が困難になるという別の課題が生じる。
（第１の実施形態）
第１の実施形態で提案する量子ドット型赤外線検出器では、GaAs層上にInAs量子ドットを成長した後に、InGaAsからGaAsへ連続的にIn組成を減らした（連続的に広バンドギャップ化した）埋め込み層で量子ドットを埋め込んだ構造を用いる。この組成変化させた埋め込み層（以下組成変化埋め込み層）の連続状態端を赤外線遷移の終状態とすることで、同じ波長を検知するDWELL構造よりも高感度に赤外線を検出することができる。なお、電子が図１２に示した量子ドット基底状態１３のいる状態が赤外線遷移の始状態であり、赤外線を吸収して電子が上述の量子ドット下地層１０の連続状態端に到達することが赤外線遷移の終状態である。
[構造の説明]
第１の実施形態で提案する量子ドット型赤外線検出器の構造および作製法を、図面を参照しながら説明する。以下の各図面においては同一の要素は同一の符号によって共通して表されるものとし、特に断りのない限り重複説明は省略する。
【００１５】
本発明の量子ドット型赤外線検出器で用いる量子ドットの材料は、作製可能なものであれば何であっても構わないが、本実施形態ではGaAs基板上のInAs量子ドットを例とする。図１に本実施形態の量子ドット型赤外線検出器の構造（伝導帯模式図）の一部を示す。実際の構造は感度を稼ぐ目的で量子ドット層が複数層含まれていてよいが、基本的に量子ドットおよび組成変化埋め込み層からなるユニットを複数ユニット繰り返した構造になるので、ここでは１ユニットに限定して説明を続ける。図１では２ユニット分表示している。
【００１６】
作製法としては、例えば分子線エピタキシー法（以下、MBE）またはそれに準ずる方法を用いる。まずGaAs基板上に、図示しない下部コンタクト層等の、量子ドット下地層１０までの所定の構造を成長する。これらの構造は素子が赤外線検出器として動作するために形成する構造であるが、素子が機能すれば特に制限はない。
【００１７】
次にこれらの構造の上に、量子ドット下地層（GaAs層）１０とInAs量子ドット１２を成長する。続いて、量子ドット１２を埋め込む層３０としてIn1-xGaxAsの成長を始める。その際に、In比率を連続的に減じながらGaAsに至るまでInGaAs層を成長する。これを実現するには例えば、MBEのInセルの温度をIn1-xGaxAsの組成を実現しているセル温度から連続的にかつ徐々に実効的にInフラックスが無視できる温度まで下げることによってInフラックスを減らし、実効的にGaAsと同じ組成になった時に組成変化埋め込み層３０（In1-xGaxAs）の成長を終了する様に行う。Inセル温度を下げる速度は、一定の速度でも良いし途中で変化させても良く、また途中でセル温度を一定温度に保つ時間があっても良い。最後に、次の量子ドット下地層１０’を成長する。図１中の矢印は結晶成長方向を示している。なお量子ドットは量子ドット下地層１０上に複数個離散的に形成するが、一つの量子ドット下地層１０と組成変化埋め込み層３０の間に形成する複数個の量子ドット１２をまとめて量子ドット層１２と呼ぶ。
【００１８】
このようにしてInAs量子ドット成長直後のInGaAsからGaAsに向かって連続的に広バンドギャップ化した、すなわちゼロバイアス下において伝導帯端が連続的にGaAsの伝導帯端まで持ち上がった構造が得られる。
【００１９】
尚、上記に示した作製方法は一例に過ぎず、量子ドットおよび組成変化埋め込み層から成るユニットの基本構造以外の構造は、赤外線検出器の仕様等により適宜変更して構わないし、成長方法もMBEに限定するものではない。なお上述のように、量子ドット下地層１０、量子ドット層１２、組成変化埋め込み層３０、量子ドット下地層１０’の構造を複数層積層してもよい。
【００２０】
作製した複数層の量子ドット層は、その上下に図示しないコンタクト層を有する。そのような量子ドット構造を含む半導体ウエハに対して、フォトリソグラフィーやウエットエッチングによってメサ構造を作製する。続いてフォトリソグラフィーと金属蒸着、アニールなどによって上下のコンタクト層に電極を設けることにより赤外線検出器を作製する。
[動作の説明]
作製した赤外線検出器の上下のコンタクト電極に、組成変化させたInGaAsの組成変化埋め込み層３０の伝導帯端が正極側（低エネルギー側：電子にとってエネルギーが低い側）に向かって右肩下がりになるまでバイアス電圧を印加した際の伝導帯模式図を図２に示す。量子ドットの基底状態１３を占有する電子は赤外線を吸収して、組成変化埋め込み層３０の量子ドット近傍の伝導帯端連続状態へ遷移した（組成変化埋め込み層３０の伝導帯下端へ遷移した）後に、光電子４０としてポテンシャルの傾きに沿って正極側に流れることができる（図２（ａ））。または、量子ドットの励起準位のうちで、組成変化埋め込み層の伝導帯端にエネルギーが近い励起準位４１に赤外線を吸収して遷移した後に、組成変化埋め込み層３０の伝導帯端へのトンネル伝導を経て、ポテンシャルの傾きに沿って正極側に流れることができる（図２（ｂ））。組成変化埋め込み層３０の伝導帯端はそのIn比率を連続的に変化させて伝導帯端の傾きが滑らかに変化するようにしている。そのため、このような光電子４０の正極側（低エネルギー側）への伝導に対して組成変化埋め込み層３０は散乱要因にならない。
【００２１】
一方で比較のために、井戸状態の深いDWELL構造にバイアス電圧を印加した際の伝導帯模式図を図３に示す。量子ドットの基底状態１３を占有する電子は赤外線を吸収して、量子井戸準位１４へ遷移する。その後、バイアス印加によって形成された量子井戸１１と中間層との間に形成された三角ポテンシャルをトンネルあるいは熱励起して正極側に流れる。しかし図３のように井戸状態が深い場合には、このトンネルあるいは熱励起過程の確率が著しく低下する（図３中の“×”）ために感度の低下を招く。一方、本実施形態の構造ではその課題が生じない。
[効果の説明]
上述したように、本実施形態では量子ドットの基底状態１３からドット成長直後のIn1-xGaxAsの伝導帯端連続状態への遷移に対応する赤外線を検知する。そのため、DWELLの場合で課題となった励起後の光電子の取り出し効率の問題が生じないので感度が高い。
【００２２】
または、量子ドットの励起準位のうちで組成変化埋め込み層の伝導帯端にエネルギーが近い励起準位４１に遷移する場合（図２（ｂ））も、励起準位４１へ遷移した後に組成変化埋め込み層３０の伝導帯端に無理なくトンネル伝導できるので、DWELLの場合よりも光電子の取り出し効率を高くできる。
[より詳細な構造の説明]
本実施形態の構造によって目的とする波長の赤外線を検知するために、組成変化埋め込み層３０のIn比率や層厚をどう設定するか、の具体例を以下に述べる。量子ドットの基底状態エネルギーを形状や組成から見積もるのはそれほど簡単ではないので、ここでは量子井戸準位の数値計算結果と、本発明者らが作製したDWELL構造の赤外線検出器の検出波長の実験値とを用いて見積もることにする。このDWELL構造は図１２と同様であり、量子ドットはInAs、量子井戸はIn0.15Ga0.85As、量子ドット下地層はGaAsである。
【００２３】
まず、量子ドットのポテンシャルが井戸準位に与える影響を無視する近似を行い、In0.15Ga0.85As/GaAs量子井戸の量子井戸準位の１次元数値計算を行った。ここで、In0.15Ga0.85As/GaAsのバンドオフセットは、非特許文献３に基づき両者のバンドギャップ差を伝導帯と荷電子帯で３：２に按分して計算した。この計算は次のように行った。非特許文献３のp3783右欄最後からp3784冒頭にかけて ”For determining the band structure of the heterostructure, the conduction band offset between the strained InAs and GaAs is taken to be 60% of their difference in band gaps.”と記述されている。訳すと、ヘテロ構造のバンド構造を決定するために、歪んだInAsとGaAsの伝導帯バンドオフセットを、InAsとGaAsのバンドギャップ全体のうちの60%とした、である。この方法を用いて伝導帯バンドオフセットを見積もると、InAs, GaAsのバンドギャップ差221 meV×0.6 = 132.6 meVとなる。これに対して、有限高さ量子井戸の固有値を計算した結果、量子井戸の底から80.7 meVに量子井戸準位が存在すると予測され、GaAs中間層伝導帯端からの深さにして132.6 - 80.7 = 51.9 meVとなった。
【００２４】
その結果、量子井戸準位は、GaAs中間層伝導帯端から51.9meV深い位置に存在すると予測された。その値に、本発明者らが作製したDWELL構造の赤外線検出器の検出波長の実験値8.75μｍ（＝141.7meV）を加えると、量子ドットの基底状態エネルギーはGaAs層の伝導帯端に対して193.6meV（=51.9+141.7）の深さに存在すると予測された。
【００２５】
続いて、量子ドットの成長条件は、上述の本発明者らが作製したDWELL構造の場合と変えずに、本実施形態の組成変化させたInGaAs埋め込み層を導入した場合を考える。量子ドット基底状態とドット成長直後のInGaAs組成変化埋め込み層の伝導帯端とのエネルギー差を、ドット成長直後のInGaAs組成変化埋め込み層のGa比率（=1-In比率）の関数として計算した。ここで、量子ドットの基底状態は組成変化埋め込み層のIn比率に依存しないという仮定を行った。その結果の、縦軸を波長に変換したものを図４に示す。この図から、例えば波長10μｍの赤外線を検出するためには、InGaAs組成変化埋め込み層３０が量子ドット１２と接する部分のIn比率を0.08に設定すればよいことが分かった。
【００２６】
続いてInGaAs組成変化埋め込み層の好適な層厚について検討した。量子ドット層間を50nm、量子ドット層数を10層としたとき、組成変化したInGaAs組成変化埋め込み層が右肩下がりになるバイアス電圧の閾値をInGaAs組成変化埋め込み層の層厚に対して計算した。その結果を表１に示す。表１はInGaAs組成変化埋め込み層の層厚と印加バイアス電圧閾値の関係を示している。
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【００２７】
InGaAs組成変化埋め込み層の層厚が厚く緩やかに広バンドギャップ化する構造ほど、印加バイアス電圧閾値が小さいことが分かる。一般に量子ドット型赤外線検出器は１Ｖ程度の印加バイアス電圧下で動作する。また、赤外線検出器は多画素の２次元アレイ化して用いられることがあるが、その際には読み出し回路と接続される。例えば本発明者らが用いているFLIR Systems,Inc.製の読み出し回路ISC9705が複数備えている動作モードのうちのある動作モードにおいては、最大印加バイアス電圧は1.4Vである。このような要請から、InGaAs組成変化埋め込み層の層厚は30nm程度以上が好適であることが分かった。
【００２８】
上記の例は検出波長を10μｍとした際の見積りであった。続いて、量子ドット層間距離と層数を上記と同じ値に固定した際に、動作バイアス閾値が1.4Vとなるために最低限必要なInGaAs組成変化埋め込み層の層厚を、検出波長の関数（および陰に組成変化埋め込み層のIn比率の関数）としてプロットした図を図５に示す。これによれば、例えばいわゆる長波長赤外の大気の窓と呼ばれる波長が８〜１２μｍの赤外線を検出するには、InGaAs組成変化埋め込み層の層厚が15〜35nm程度とすればよいことが分かった。
【００２９】
また同様の検討を量子ドット層間距離６０ｎｍ、量子ドット層数７層について行ったところ、波長が８〜１２μｍの赤外線に対応する組成変化埋め込み層の層厚は12〜27ｎｍであった。
（第２の実施形態）
[構造の説明]
第１の実施形態では、InAs量子ドット成長直後に、InGaAs組成変化埋め込み層３０を成長していた。これに対して第２の実施形態では、InAs量子ドット成長直後にIn組成が一定（例えば第１の実施形態と同じIn0.08Ga0.92As）のInGaAs埋め込み層８０をある程度の厚さだけ成長させて、その後に組成変化させたInGaAs層を成長する。ゼロバイアス下でのその伝導帯模式図を、図６に示した。
【００３０】
これに対して、組成変化させたInGaAs層８１の伝導帯端の静電ポテンシャルエネルギーが基板成長軸方向に対して略水平になるまでバイアス電圧を印加した際の伝導帯模式図を、図７に示す。図７（ａ）では、量子ドット１２の基底状態１３を占有する電子が赤外線を吸収して、組成一定のInGaAs埋め込み層８０の伝導帯に遷移する場合を示す。遷移した後に、光電子４０として組成一定のInGaAs埋め込み層８０のポテンシャルの傾きに沿って、組成変化させたInGaAs層８１を経由して正極側に流れる。図７（ｂ）は、量子ドット１２の励起準位のうちで、組成一定の埋め込み層の伝導帯端にエネルギーが近い励起準位４１に赤外線を吸収して遷移した後に、組成変化させたInGaAs層８１を経て正極側に流れる場合である。なお製造方法と動作は、In組成が一定のInGaAs埋め込み層８０を成長することを除いて第１の実施形態と同一であるため説明を省略する。
[効果の説明]
第１の実施形態では、組成変化させたInGaAs組成変化埋め込み層３０の伝導帯端が右肩下がりになるまでバイアス電圧を印加した（図２）が、第２の実施形態では、組成変化させたInGaAs組成変化埋め込み層８１が水平になるまで印加すればよい。これは、In組成が一定のInGaAs埋め込み層８０の伝導帯端が右肩下がりになることで光電子がその領域を伝導している間に十分な運動エネルギーを獲得するためである。組成変化させたInGaAs組成変化埋め込み層８１の領域を伝導する際には必ずしも右肩下がりのポテンシャルを必要としない。以上の理由から第２の実施形態では第１の実施形態と比較して、動作バイアス電圧を低減することができるという利点がある。
【００３１】
さらに、第２の実施形態におけるInAs量子ドット成長直後のIn組成が一定のInGaAs埋め込み層８０の伝導帯端が、第１の実施形態における組成変化させた組成変化埋め込み層３０と比較して、同じバイアス電圧を印加した際により大きく右肩下がりになる。そのため、量子ドットの励起準位のうちで組成一定の埋め込み層の伝導帯端にエネルギーが近い励起準位４１に遷移する場合（図７（ｂ））、その励起準位４１へ遷移した後に組成が一定の埋め込み層８０の伝導帯端にトンネル伝導する際の三角ポテンシャルがより急峻になり、トンネル確率が増大する。従って光電子の取り出し効率が上昇して、感度が向上するという利点がある。
（第３の実施形態）
[構造の説明]
第３の実施形態では、量子ドット成長直後またはその近傍に近接障壁層と呼ばれるポテンシャルの障壁層を設けるものであり、その他の構造は第１ないし第２の実施形態に準ずる。ここでは第２の実施形態の構造に近接障壁層を導入した場合を例に説明する。図８に、ゼロバイアス下でのその伝導帯模式図を示す。図８では近接障壁層１００は量子ドット層１２と組成一定の埋め込み層７０との間に形成する。近接障壁層１００は、組成変化埋め込み層７１の最も量子ドット層１２寄りにおける組成つまり組成一定の埋め込み層７０よりもバンドギャップを広くする。下記に記述する効果を高めるには量子ドット下地層１０と同じかより狭いバンドギャップを持つ材料であることが好ましい。例えばIn0.01GaAs、GaAsなどである。ここでは量子ドット下地層１０と同じ、GaAsの場合を例に説明を続ける。また、光電子のトンネル確率を考慮すると、近接障壁層１００はトンネル可能な厚さに設定することが望ましく、５ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下が適当である。
[効果の説明]
非特許文献４には、量子ドットが形成された量子井戸を薄いAlGaAs障壁層で挟むことが開示されている。このように、近接障壁層１００の導入により量子ドットの閉じ込めが強くなるため量子ドットの励起状態がドット内に強く局在するようになる。そのため、量子ドットの基底状態１３から励起準位のうちで組成変化埋め込み層の伝導帯端にエネルギーが近い励起準位４１に遷移する遷移双極子モーメントの増加に伴い、感度の向上が見込まれる。
【００３２】
また近接障壁層を導入することで、感度の向上に加えて、以下に述べる効果も期待できる。非特許文献４に示されているような近接障壁層の導入例においては、量子ドットまたはDWELL構造の上下両側に障壁層が設けられる。そのため量子ドット層を複数層設ける場合には、高エネルギー側（電子にとってエネルギーが高い側）の量子ドット層からの光電子が、低エネルギー側（電子にとってエネルギーが低い側）の量子ドット層の近接障壁層によってブロックされてしまうという弊害があった。しかし本実施形態のように、量子ドット下地層１０がGaAsで、InGaAs組成変化埋め込み層の側にのみGaAs（またはそれより狭バンドギャップの）近接障壁層１００を設ける場合には、高エネルギー側の量子ドット層からの光電子の正極への伝導を妨げない。そのため感度が向上し、しかも光応答性の向上が見込まれる。
【００３３】
なお図８では近接障壁層１００を量子ドット層１２と組成一定の埋め込み層７０の境界に設けたが、組成一定の埋め込み層７０内の境界近傍に設けてもよい。また第１の実施形態のように組成一定の埋め込み層がない場合は、量子ドット層１２と組成変化埋め込み層３０の境界または組成変化埋め込み層３０内の境界近傍に設けるとよい。
（第４の実施形態）
第１の実施形態では、波長１０μｍを検出する際の組成変化埋め込み層のIn組成や層厚の説明を行ってきた。しかし見方を変えれば、組成変化埋め込み層のIn組成をこれより大きく設定することで検出波長を長波長化することができる。ただし、量子ドットや組成変化埋め込み層は量子ドット下地層とは格子整合しないため、ある膜厚（臨界膜厚）を超えて成長すると不整合転位が導入されてしまう。そのためIn組成を（例えば第１の実施形態の0.08から）大きくする際には、臨界膜厚を超えないように注意するとよい。
【００３４】
具体的には図１０に示す様に組成変化埋め込み層における組成変化の度合いを大きくする。図１０（ａ）は比較のために第1の実施形態を再掲したものであり、図１０（ｂ）は第４の実施形態の場合である。本実施形態では、量子ドット１２を成長した直後の組成変化埋め込み層１２０の初期の組成、つまり組成変化埋め込み層１２０の量子ドット層１２に接する側のIn組成を、第1の実施形態の組成変化埋め込み層３０の場合よりも大きく設定する。第1の実施形態での構成の場合、量子ドット１２に接する側のIn組成は、大きくても0.2〜0.3程度であるが、本実施形態では例えば0.4以上に設定する。
【００３５】
ただし、組成変化埋め込み層１２０の初期のIn組成を大きく設定し第１の実施形態と同じ組成変化の傾きで組成を変化させると、成長層に蓄積する格子不整歪が増大し、転位等が発生する。そのため、第1の実施形態の場合より組成変化の傾きを大きくしてGaAsの組成まで変化させた組成変化埋め込み層１２０に蓄積される歪量を、第1の実施形態の場合に比べて同量かそれ以下になる様に設計し、臨界膜厚を超えないようにする。本実施形態の構造を導入することにより、量子ドット基底状態からInGaAsの伝導帯端の連続状態への遷移エネルギーの低減が実現でき、更なる長波長の赤外線を検知することができる。
【００３６】
なお組成変化埋め込み層のIn比率の増加による長波長化は、第１の実施形態のみに適用されるものではなく、第２または第３の実施形態に適用しても相応の効果を生じるのは言うまでもない。
（第５の実施形態）
図１１は本発明の第５の実施形態の量子ドット型赤外線検出器のゼロバイアス下での伝導帯模式図である。本実施形態の量子ドット型赤外線検出器は、量子ドット下地層５０と、量子ドット下地層５０上に形成された量子ドット層５１２と、量子ドット層５１２上に形成された組成変化埋め込み層５３０、及び、組成変化埋め込み層５３０上に形成された半導体層５０’を備えている。組成変化埋め込み層５３０は、量子ドット層５１２側が量子ドットよりも広バンドギャップで量子ドット下地層５０よりも狭バンドギャップである。しかも半導体層５０’側に向かって、バンドギャップが半導体層５０’と略等しくなるまで大きくなる。
【００３７】
半導体層５０’との量子ドット下地層５０の間に半導体層５０’が高電位（電子にとっては低エネルギー）にする。すると、量子ドットの基底状態５１３を占有する電子は赤外線を吸収して、組成変化層５３０の量子ドット近傍の伝導帯端連続状態へ遷移し、光電子としてポテンシャルの傾きに沿って半導体層５０’側に流れることができる。
または、量子ドットの励起準位のうちで、組成変化埋め込み層５３０の伝導帯端にエネルギーが近い励起準位に赤外線を吸収して遷移した後に、組成変化埋め込み層５３０の伝導帯端へのトンネル伝導を経て、ポテンシャルの傾きに沿って正極側に流れることができる。組成変化埋め込み層５３０の伝導帯端は、含まれるIn等の組成を変化させて伝導帯端の傾きが変化するようにしている。そのため、組成変化埋め込み層５３０はこのような光電子の低エネルギー側への伝導に対しては散乱要因にならない。
【００３８】
従ってDWELLの場合よりも光電子の取り出し効率を高くでき、同じ波長を検知するDWELL構造よりも高感度な量子ドット型赤外線検出器を提供することができる。
（他の実施形態）
第１〜第４の実施形態では量子ドット層を複数層形成したが、最低限一層でもよい。
【００３９】
また、第１〜第５の実施形態では組成変化層３０内、または組成変化埋め込み層３０と量子ドット下地層１０’の間、組成一定の埋め込み層８０と組成変化させた埋め込み層３０の間は伝導帯に段差がないことを想定している。段差は光電子の伝導に対して散乱要因になるため存在しないことが望ましい。しかし、量子ドット型赤外線検出器の動作温度を７７Ｋと想定した場合、フェルミ面の温度広がりが６．６ｍｅＶなので、それ以下、好ましくはそれの１０％（０．６６ｍｅＶ）以下の段差であれば動作への影響は小さい。
【００４０】
また第１〜第４の実施形態で用いた材料は、基板がGaAs、量子ドットがInAs,組成変化層がInGaAs,量子ドット下地層がGaAsである。これ以外の材料としては、格子定数とバンドギャップから、例えば以下のような化合物半導体材料が使用できる。
基板および量子ドット下地層：GaAsまたはInP
量子ドット：InAs, InSb, GaSbおよびそれらの混晶（InGaAs, InAsSb, InGaSb, GaAsSb, InGaAsSb）
組成変化埋め込み層：GaAs基板の場合はInGaAs, GaAsSb, InGaAsSb、InP基板の場合はInAsP, InPSb, (InGaPは不可), InGaPSb。
【符号の説明】
【００４１】
１０、５０    量子ドット下地層
１０’    量子ドット下地層
５０’    半導体層
１１    量子井戸
１２    量子ドット
１３、５１３    量子ドットの基底状態
１４    量子井戸準位
３０、５３０    組成変化埋め込み層
４０    光電子
４１    励起準位
８０    組成一定の埋め込み層
８１    組成変化埋め込み層
１００    近接障壁層
１２０    組成変化埋め込み層
５１２    量子ドット層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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