(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、
前記量子ドットを挟み、前記量子ドットよりもワイドエネルギーギャップの中間層と、
前記量子ドットの下部に接しており、前記中間層よりもナローエネルギーギャップの下地井戸層と、
前記量子ドットを埋め込み、前記中間層よりもワイドエネルギーギャップの第１埋め込み障壁層と、
前記第１埋め込み障壁層上に設けられ、前記量子ドットを埋め込み、前記第１埋め込み障壁層よりもワイドエネルギーギャップの第２埋め込み障壁層とを備えることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項２】
前記第１埋め込み障壁層と前記第２埋め込み障壁層との間に前記第１埋め込み障壁層よりもナローエネルギーギャップの第１埋め込み井戸層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項３】
前記第２埋め込み障壁層上に設けられ、前記第２埋め込み障壁層よりもナローエネルギーギャップの第２埋め込み井戸層と、
前記第２埋め込み井戸層上に設けられ、前記第２埋め込み障壁層と同一のエネルギーギャップを有する第３埋め込み障壁層とを備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項４】
前記中間層よりもワイドエネルギーギャップの下地障壁層を備え、
前記下地障壁層上に前記下地井戸層を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項５】
前記下地井戸層の厚さが、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【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知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、入射した光を吸収した場合に流れる電流によって光を検知する光検知器として、量子ドット型光検知器が注目されている。従来の量子井戸型光検知器では、垂直入射光を吸収できなかったのに対し、量子ドット型光検知器では、３次元でキャリアを閉じ込めることができ、垂直入射光を吸収することができる。
代表的なものとして、量子ドット型赤外線検知器がある。
【０００３】
ここで、図５は、標準的な量子ドット型赤外線検知器の構造を示している。
図５に示すように、量子ドット型赤外線検知器は、ＩｎＡｓ量子ドット１００をｉ−ＧａＡｓ中間層１０１で埋め込んだ構造を繰り返し積層した活性層（光電変換層）１０３を、ｎ−ＧａＡｓ電極層（コンタクト層）１０４で挟んだ構造になっている。この構造を第１の構造という。なお、ここでは、活性層１０３は、量子ドット１００を積層させるようにしているが、１層の量子ドットを備えるものであっても良い。
【０００４】
このように構成される量子ドット型赤外線検知器では、活性層１０３に光が入射すると、量子ドット１００の遷移元準位に束縛されていた電子が光で励起され、遷移先準位にサブバンド間遷移し、熱的な励起やトンネル効果によって量子ドット１００の束縛から脱する。そして、量子ドット１００の束縛から脱した電子は、両側のｎ−ＧａＡｓ電極層１０４を介して印加された電圧によって一方のｎ−ＧａＡｓ電極層１０４に集められ、光電流が生じる。この検知器を流れる光電流の変化によって、光信号を検出することができる。
【０００５】
また、ＧａＡｓ中間層よりもエネルギーギャップ（伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギー差）が広いＡｌＧａＡｓ障壁層でＩｎＡｓ量子ドットを囲んだ構造を持つ量子ドット型赤外線検知器もある。この構造を第２の構造という。
さらに、ＩｎＡｓ量子ドットをＩｎＧａＡｓ井戸層（及びＧａＡｓ井戸層）で挟み込み、さらに、これをＡｌＧａＡｓ障壁層で挟み込んだ構造（dot-in-a-well：ＤＷＥＬＬ構造）を持つ量子ドット赤外線検知器もある。この構造を第３の構造という。
【０００６】
このほか、ＧａＡｓ層上にＩｎＧａＡｓ層を形成し、このＩｎＧａＡｓ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成し、ＩｎＡｓ量子ドットをＡｌＧａＡｓ層で覆い、その上にＧａＡｓ層を形成した構造を有する量子ドット型赤外線検知器もある。この構造を第４の構造という。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２４２７６６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R. V. Shenoi et al., “Low-strain InAs/InGaAs/GaAs quantum dots-in-a-well infrared photodetector”, J. Vac. Sci. Technol. B 26(3), May/Jun 2008, pp. 1136-1139
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、赤外線検知器の特性としては、特定の応答波長で、信号（Ｓ）が大きく、信号と雑音の比（Ｓ／Ｎ）が大きいことが重要である。
しかしながら、上述の第１の構造では、十分な光電流を生成することができず、感度（信号に相当）が低い。つまり、特定の応答波長で信号が小さく、Ｓ／Ｎが小さい。
また、上述の第２の構造では、量子ドットの周囲のエネルギー障壁の高さが増加するため、量子ドットにおける量子閉じ込め効果が強くなり、光で励起された電子が遷移しやすくなり、その結果、量子ドット型赤外線検知器の感度が改善される。
【００１０】
しかしながら、上述の第２の構造のように、量子ドットの周囲のエネルギー障壁の高さを増加させると、遷移元準位から遷移先準位までのエネルギー差も大きくなり、応答波長が短波長化してしまう。
さらに、上述の第３の構造では、応答波長を長波長化しうるが、量子ドットを挟んで上下対称構造になっており、量子ドットの周囲に井戸層が設けられるため、量子ドットの周囲のエネルギー障壁の高さが低くなり、量子閉じ込め効果が弱くなる。このため、光で励起された電子が遷移しにくくなり、その結果、感度が低下してしまう。
【００１１】
また、量子ドット型赤外線検知器では、一般に、応答波長が長くなると、遷移元準位と遷移先準位とのエネルギー差が小さくなり、相対的に雑音が増加し、感度やＳ／Ｎなどの特性が低下してしまう。
このように、量子ドット型赤外線検知器では、特性を向上させようとすると、応答波長が短波長化してしまい、応答波長を長波長化しようとすると、特性が低下してしまう。つまり、特性を向上させることと、応答波長を長波長化することとを両立させることが難しい。
【００１２】
また、上述の第４の構造では、ＩｎＡｓ量子ドットの下方のＩｎＧａＡｓ層とＩｎＡｓ量子ドットの上方を覆うＡｌＧａＡｓ層のエネルギーギャップの差が大きいことを利用して、暗電流（光電流以外の電流：ノイズ相当）を低減し、特性を向上させることができる。
しかしながら、上述の第４の構造では、ＩｎＡｓ量子ドットの周囲に設けられるＩｎＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層のエネルギーギャップ、即ち、伝導帯の底のエネルギーレベルによって、エネルギー障壁の高さと応答波長が決まる。この場合、エネルギー障壁の高さを高くして特性を向上させようとすると、遷移元準位から遷移先準位までのエネルギー差も大きくなり、応答波長が短波長化してしまう。一方、応答波長を長波長化しようとすると、エネルギー障壁の高さが低くなってしまい、特性が低下してしまう。このように、特性を向上させることと、応答波長を長波長化することとを両立させることが難しい。
【００１３】
そこで、感度やＳ／Ｎなどの特性を低下させることなく、応答波長を長波長化できるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このため、本量子ドット型赤外線検知器は、量子ドットと、量子ドットを挟み、量子ドットよりもワイドエネルギーギャップの中間層と、量子ドットの下部に接しており、中間層よりもナローエネルギーギャップの下地井戸層と、量子ドットを埋め込み、中間層よりもワイドエネルギーギャップの第１埋め込み障壁層と、第１埋め込み障壁層上に設けられ、量子ドットを埋め込み、第１埋め込み障壁層よりもワイドエネルギーギャップの第２埋め込み障壁層とを備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１５】
したがって、本量子ドット型赤外線検知器によれば、感度やＳ／Ｎなどの特性を低下させることなく、応答波長を長波長化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図２】第２実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図３】第３実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図４】第４実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図５】標準的な量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる量子ドット型赤外線検知器について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器について、図１を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器は、量子ドット構造を赤外線吸収部とする赤外線検知器である。
本実施形態では、量子ドット型赤外線検知器は、図１に示すように、量子ドット１と、量子ドット１を挟み、量子ドット１よりもワイドエネルギーギャップの中間層２とを含む光電変換層（活性層）３と、光電変換層３を挟む電極層（コンタクト層）４とを備える。
【００１９】
ここでは、量子ドット１は、ＩｎＡｓ量子ドットであり、自己組織化量子ドットである。また、中間層２は、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層である。例えば、ｉ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ中間層２であり、厚さは約５０ｎｍである。さらに、電極層４は、ｎ−ＧａＡｓ電極層である。
特に、本実施形態では、中間層２よりもナローエネルギーギャップの下地井戸層５と、中間層２よりもワイドエネルギーギャップの第１埋め込み障壁層６と、第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップの第２埋め込み障壁層７とを備える。
【００２０】
ここで、下地井戸層５は、量子ドット１の下地層である。この下地井戸層５の厚さは、約１ＭＬ以上約１０ＭＬ以下であることが好ましい。このように、下地井戸層５の厚さを約１０ＭＬ以下とすることで、確実に特性改善効果が得られる。つまり、下地井戸層５の厚さを薄くすることで、中間層２による量子閉じ込め効果が得られ、感度を向上させることができ、確実に特性改善効果が得られる。ここでは、下地井戸層５は、ＧａＡｓ下地井戸層であり、例えば厚さは約３ＭＬである。なお、ここでは、下地井戸層５をＧａＡｓ層としているが、これに限られるものではなく、中間層２よりもナローエネルギーギャップの下地井戸層５であれば良い。例えば、中間層２よりもナローエネルギーギャップのＡｌＧａＡｓ層を下地井戸層５としても良い。
【００２１】
第１埋め込み障壁層６は、量子ドット１を埋め込む埋込層であり、かつ、量子ドット１に束縛されている電子に対するエネルギー障壁を形成する障壁層である。この第１埋め込み障壁層６の厚さは第２埋め込み障壁層７の厚さよりも薄く、約１ＭＬ以上約３ＭＬ以下であることが好ましい。ここでは、第１埋め込み障壁層６は、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層である。例えば、Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ第１埋め込み障壁層６であり、厚さは約３ＭＬである。
【００２２】
第２埋め込み障壁層７は、第１埋め込み障壁層６上に設けられている。また、第２埋め込み障壁層７は、量子ドット１を埋め込む埋込層であり、かつ、量子ドット１に束縛されている電子に対するエネルギー障壁を形成する障壁層である。さらに、上述のように、第２埋め込み障壁層７は第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップを持つため、第２埋め込み障壁層７のエネルギー障壁の高さは、第１埋め込み障壁層６のエネルギー障壁の高さよりも高い。ここでは、第２埋め込み障壁層７は、ＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層である。例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２埋め込み障壁層７であり、厚さは約６ＭＬである。なお、ここでは、第２埋め込み障壁層７をＡｌＧａＡｓ層としているが、これに限られるものではなく、第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップの第２埋め込み障壁層７であれば良い。例えば、第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップのＡｌＡｓ層を第２埋め込み障壁層７としても良い。
【００２３】
本実施形態では、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、下地井戸層５の材料として、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）という同一の構成材料を含む半導体材料を用い、その組成を変えて、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、下地井戸層５の上記エネルギーギャップの関係を実現している。
このように、本実施形態では、量子ドット１は、下地井戸層５上に設けられており、第１埋め込み障壁層６及び第２埋め込み障壁層７の２つの埋め込み障壁層によって埋め込まれている。つまり、下地井戸層５は、量子ドット１の下面（下部）に接しており、第１埋め込み障壁層６及び第２埋め込み障壁層７は、量子ドット１の上面（上部）に接している。そして、第１埋め込み障壁層６は、第２埋め込み障壁層７よりもエネルギー障壁の高さが低くなっている。
【００２４】
この場合、下地井戸層５と第１埋め込み障壁層６のエネルギーギャップ、即ち、伝導帯の底のエネルギーレベルによって、応答波長が決まる。一方、第２埋め込み障壁層７のエネルギーギャップ、即ち、伝導帯の底のエネルギーレベルによって、量子ドット１に束縛されている電子に対するエネルギー障壁の高さが決まる。このため、応答波長とエネルギー障壁の高さを別個独立に設定することができる。つまり、下地井戸層５と第１埋め込み障壁層６のエネルギーギャップの設定によって応答波長を長波長化することができる。一方、第２埋め込み障壁層７のエネルギーギャップの設定によってエネルギー障壁の高さを高くして、量子閉じ込め効果を強くし、光で励起された電子が遷移しやすくすることで、感度を向上させることができる。つまり、応答波長を長波長化することと、感度やＳ／Ｎなどの特性を向上させることとを両立させることができる。
【００２５】
また、本実施形態では、下地井戸層５上に設けられ、第１埋め込み障壁層６及び第２埋め込み障壁層７によって覆われた量子ドット１、即ち、下地井戸層５、量子ドット１、第１埋め込み障壁層６及び第２埋め込み障壁層７を含む量子ドット層８を挟むように中間層２が設けられている。本実施形態では、中間層２を介して、複数の量子ドット層８が繰り返し積層されている。つまり、光電変換層３は、複数の量子ドット層８を中間層２を介して積層した構造になっている。なお、ここでは、光電変換層３は、複数の量子ドット層８を備えるものとしているが、１層の量子ドット層を備えるものであっても良い。
【００２６】
このように構成される量子ドット型赤外線検知器では、光電変換層３に光が入射すると、量子ドット１の遷移元準位に束縛されていた電子が光で励起され、遷移先準位にサブバンド間遷移し、熱的な励起やトンネル効果によって量子ドット１の束縛から脱する。そして、量子ドット１の束縛から脱した電子は、両側のｎ−ＧａＡｓ電極層４を介して印加された電圧によって一方のｎ−ＧａＡｓ電極層４に集められ、光電流が生じる。この検知器を流れる光電流の変化によって、光信号を検出するようになっている。
【００２７】
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
まず、例えば分子線エピタキシー（Molecular beam epitaxy；ＭＢＥ）法によって、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示せず）上に、例えば基板温度約６００℃で、下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ電極層４を形成する。ここで、ｎ型ＧａＡｓ電極層４の厚さは例えば約１０００ｎｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば約２×１０１８ｃｍ−３とする。
【００２８】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ電極層４上に、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２を形成する。ここでは、厚さ約５０ｎｍのｉ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ中間層２を成長させる。
次に、例えば基板温度を約６００℃から約５００℃に低下させた後、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２上に、ＧａＡｓを約３ＭＬ分成長させて、厚さ約３ＭＬのＧａＡｓ下地井戸層５を形成する。
【００２９】
次いで、ＧａＡｓ下地井戸層５上に、ＩｎＡｓ量子ドット１を形成する。例えば、ＩｎＡｓ供給速度を約０．１ＭＬ／ｓとし、ＩｎＡｓを約２．３ＭＬ分供給する。これにより、臨界膜厚を超えたＩｎＡｓは自己組織化量子ドット１となる。
次に、ＩｎＡｓ量子ドット１がＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６で埋め込まれるように、ＧａＡｓ下地井戸層５上にＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６を形成する。例えば、Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓを約３ＭＬ分成長させて、厚さ約３ＭＬのＡｌ０．１７Ｇａ０．８３Ａｓ第１埋め込み障壁層６を形成する。
【００３０】
次いで、ＩｎＡｓ量子ドット１がＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７で埋め込まれるように、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６上にＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７を形成する。例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを約６ＭＬ分成長させて、厚さ約６ＭＬのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２埋め込み障壁層７を形成する。
そして、例えば基板温度を約５００℃から約６００℃まで上昇させた後、ＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７上に、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２を形成する。ここでは、厚さ約５０ｎｍのｉ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ中間層２を成長させる。これにより、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２に挟まれ、ＧａＡｓ下地井戸層５、ＩｎＡｓ量子ドット１、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６及びＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７を含む量子ドット層８が形成される。
【００３１】
その後、上述の各工程、即ち、ＧａＡｓ下地井戸層５を形成する工程からｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２を形成する工程までの各工程を、例えば２９回繰り返す。これにより、例えば３０層の量子ドット層８を含む光電変換層３、即ち、例えば３０層の量子ドット層８を中間層２を介して積層した構造を有する光電変換層３が形成される。つまり、ＩｎＡｓ量子ドット１と、ＩｎＡｓ量子ドット１を挟み、ＩｎＡｓ量子ドット１よりもワイドエネルギーギャップのｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２とを含む光電変換層３が形成される。なお、図１では、説明の便宜上、２つの量子ドット層８のみを示している。
【００３２】
次に、光電変換層３上、即ち、最上層のｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２上に、例えば基板温度６００℃で、上部電極層となるｎ型ＧａＡｓ電極層４を形成する。ここで、ｎ型ＧａＡｓ電極層４の厚さは例えば約１０００ｎｍとし、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば約２×１０１８ｃｍ−３とする。これにより、光電変換層３を挟むようにｎ型ＧａＡｓ電極層４が形成される。
【００３３】
このようにして各半導体層を成長させたウェハを、例えばリソグラフィー法によってパターニングし、下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ電極層４までエッチングして、例えば３０μｍピッチで画素分離を行なう。ここでは、画素サイズは２５μｍ角である。
次いで、反射膜のコーティングを行なう。例えば、反射膜として、金、銀、アルミニウムなどの金属膜、あるいは、ＡｕＧｅ/Ａｕなどの複合膜などの高い反射率を持つ材料からなる膜を、スパッタ或いは真空蒸着等によって形成する。ここでは、反射膜は、導電材からなり、電極の一部として使用される。このため、上下のｎ型ＧａＡｓ電極層上に、同時に、上部電極及び下部電極が形成されることになる。
【００３４】
次に、素子表面（電極以外の領域）を、例えばＳｉＮ又はＳｉＯＮからなる保護膜で覆う。
そして、全画素の上部電極及び下部電極としての反射膜上に、例えばインジウム（Ｉｎ）からなるバンプを形成し、そのバンプを介して、シリコン基板上に形成された半導体集積回路（読み出し回路：例えばＣＭＯＳ回路）に接続する。これにより、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
【００３５】
このような量子ドット型赤外線検知器は、ｎ型ＧａＡｓ電極層４間に例えば１Ｖの電位差（例えば下部電極が陰極、上部電極が陽極）を与え、その間に流れる電流を計測することで、赤外線入射に対する量子ドット１の応答として流れる光電流を観測することができるため、赤外線検知器として機能する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器によれば、感度やＳ／Ｎなどの特性を低下させることなく、応答波長を長波長化できるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器について、図２を参照しながら説明する。
【００３６】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器は、上述の第１実施形態のものに対し、図２に示すように、第１埋め込み障壁層６と第２埋め込み障壁層７との間に、第１埋め込み障壁層６よりもナローエネルギーギャップの埋め込み井戸層（第１埋め込み井戸層）９が設けられている点が異なる。なお、図２では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００３７】
ここでは、埋め込み井戸層９は、第１埋め込み障壁層６上に設けられている。また、埋め込み井戸層９上に、第２埋め込み障壁層７が設けられている。つまり、埋め込み井戸層９は、第１埋め込み障壁層６の上面に接し、かつ、第２埋め込み障壁層７の下面に接している。また、埋め込み井戸層９は、例えば、ＧａＡｓ埋め込み井戸層であり、厚さは約６ＭＬである。なお、ここでは、埋め込み井戸層９をＧａＡｓ層としているが、これに限られるものではなく、第１埋め込み障壁層６よりもナローエネルギーギャップの埋め込み井戸層９であれば良い。例えば、第１埋め込み障壁層６よりもナローエネルギーギャップのＡｌＧａＡｓ層を埋め込み井戸層９としても良い。
【００３８】
本実施形態では、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、下地井戸層５、埋め込み井戸層９の材料として、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）という同一の構成材料を含む半導体材料を用い、その組成を変えて、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、下地井戸層５、埋め込み井戸層９の上記エネルギーギャップの関係を実現している。
【００３９】
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法は、上述の第１実施形態の量子ドット型赤外線検知器の製造方法において、第１埋め込み障壁層６を形成する工程と第２埋め込み障壁層７を形成する工程との間に、埋め込み井戸層９を形成する工程を追加すれば良い。
【００４０】
具体的には、まず、上述の第１実施形態の場合と同様に、下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ電極層４を形成する工程、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２を形成する工程、ＧａＡｓ下地井戸層５を形成する工程、ＩｎＡｓ量子ドット１を形成する工程、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６を形成する工程を行なう。
次いで、ＩｎＡｓ量子ドット１がＧａＡｓ埋め込み井戸層９で埋め込まれるように、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６上にＧａＡｓ埋め込み井戸層９を形成する。例えば、ＧａＡｓを約６ＭＬ分成長させて、厚さ約６ＭＬのＧａＡｓ埋め込み井戸層９を形成する。
【００４１】
次に、ＩｎＡｓ量子ドット１がＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７で埋め込まれるように、ＧａＡｓ埋め込み井戸層９上にＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７を形成する。例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを約４ＭＬ分成長させて、厚さ約４ＭＬのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２埋め込み障壁層７を形成する。
その後、上述の第１実施形態の場合と同様の工程を経て、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
【００４２】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、感度やＳ／Ｎなどの特性を低下させることなく、応答波長を長波長化できるという利点がある。
【００４３】
特に、上述の本実施形態の構造によれば、埋め込み井戸層９に、第１埋め込み障壁層６を乗り越えた電子を留まらせることができ、第２埋め込み障壁層７を乗り越える確率を上げることができるため、光電流が増加し、より感度を良くすることができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器について、図３を参照しながら説明する。
【００４４】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器は、上述の第１実施形態のものに対し、図３に示すように、第２埋め込み障壁層７上に埋め込み井戸層（第２埋め込み井戸層）１０を備え、埋め込み井戸層１０上に第３埋め込み障壁層１１を備える点が異なる。なお、図３では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００４５】
つまり、本量子ドット型赤外線検知器は、第２埋め込み障壁層７上に第２埋め込み障壁層７よりもナローエネルギーギャップの埋め込み井戸層１０を備え、さらに、埋め込み井戸層１０上に第２埋め込み障壁層７と同一のエネルギーギャップを有する第３埋め込み障壁層１１を備える。つまり、埋め込み井戸層１０は、第２埋め込み障壁層７と第３埋め込み障壁層１１との間に設けられており、第２埋め込み障壁層７の上面に接し、かつ、第３埋め込み障壁層１１の下面に接している。
【００４６】
ここでは、埋め込み井戸層１０は、例えば、ＧａＡｓ埋め込み井戸層であり、厚さは約６ＭＬである。なお、ここでは、埋め込み井戸層１０をＧａＡｓ層としているが、これに限られるものではなく、第２埋め込み障壁層７よりもナローエネルギーギャップの埋め込み井戸層１０であれば良い。例えば、第２埋め込み障壁層７よりもナローエネルギーギャップのＡｌＧａＡｓ層を埋め込み井戸層１０としても良い。
【００４７】
また、第３埋め込み障壁層１１は、第２埋め込み障壁層７と同一の埋め込み障壁層である。つまり、第３埋め込み障壁層１１は、量子ドット１を埋め込む埋込層であり、かつ、量子ドット１に束縛されている電子に対するエネルギー障壁を形成する障壁層である。また、第３埋め込み障壁層１１は第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップを持つため、第３埋め込み障壁層１１のエネルギー障壁の高さは、第１埋め込み障壁層６のエネルギー障壁の高さよりも高い。ここでは、第３埋め込み障壁層１１は、ＡｌＧａＡｓ第３埋め込み障壁層である。例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第３埋め込み障壁層１１であり、厚さは４ＭＬである。なお、ここでは、第３埋め込み障壁層１１をＡｌＧａＡｓ層としているが、これに限られるものではなく、第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップの第３埋め込み障壁層１１であれば良い。例えば、第１埋め込み障壁層６よりもワイドエネルギーギャップのＡｌＡｓ層を第３埋め込み障壁層１１としても良い。また、第２埋め込み障壁層７と第３埋め込み障壁層１１とは同一の埋め込み障壁層であるため、埋め込み障壁層の中に埋め込み井戸層１０を設けていると見ることもできる。
【００４８】
本実施形態では、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、第３埋め込み障壁層１１、下地井戸層５、埋め込み井戸層１０の材料として、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）という同一の構成材料を含む半導体材料を用い、その組成を変えて、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、第３埋め込み障壁層１１、下地井戸層５、埋め込み井戸層１０の上記エネルギーギャップの関係を実現している。
【００４９】
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法は、上述の第１実施形態の量子ドット型赤外線検知器の製造方法において、第２埋め込み障壁層７を形成する工程と中間層２を形成する工程との間に、埋め込み井戸層１０を形成する工程及び第３埋め込み障壁層１１を形成する工程を追加すれば良い。
【００５０】
具体的には、まず、上述の第１実施形態の場合と同様に、下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ電極層４を形成する工程、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２を形成する工程、ＧａＡｓ下地井戸層５を形成する工程、ＩｎＡｓ量子ドット１を形成する工程、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６を形成する工程を行なう。
次いで、ＩｎＡｓ量子ドット１がＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７で埋め込まれるように、ＡｌＧａＡｓ第１埋め込み障壁層６上にＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７を形成する。例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを約４ＭＬ分成長させて、厚さ約４ＭＬのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第２埋め込み障壁層７を形成する。
【００５１】
次に、ＩｎＡｓ量子ドット１がＧａＡｓ埋め込み井戸層１０で埋め込まれるように、ＡｌＧａＡｓ第２埋め込み障壁層７上にＧａＡｓ埋め込み井戸層１０を形成する。例えば、ＧａＡｓを約６ＭＬ分成長させて、厚さ約６ＭＬのＧａＡｓ埋め込み井戸層１０を形成する。
次いで、ＩｎＡｓ量子ドット１がＡｌＧａＡｓ第３埋め込み障壁層１１で埋め込まれるように、ＧａＡｓ埋め込み井戸層１０上にＡｌＧａＡｓ第３埋め込み障壁層１１を形成する。例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを約４ＭＬ分成長させて、厚さ約４ＭＬのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第３埋め込み障壁層１１を形成する。
【００５２】
その後、上述の第１実施形態の場合と同様の工程を経て、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、感度やＳ／Ｎなどの特性を低下させることなく、応答波長を長波長化できるという利点がある。
【００５３】
特に、上述の本実施形態の構造によれば、埋め込み井戸層１０に、第２埋め込み障壁層７を乗り越えた電子を留まらせることができ、第３埋め込み障壁層１１を乗り越える確率を上げることができるため、光電流が増加し、より感度を良くすることができる。
なお、本実施形態は、上述の第１実施形態の変形例として説明しているが、これに限られるものではなく、本実施形態の構造と、上述の第２実施形態の構造とを組み合わせても良い。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器について、図４を参照しながら説明する。
【００５４】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器は、上述の第１実施形態のものに対し、図４に示すように、中間層２よりもワイドエネルギーギャップの下地障壁層１２を備え、下地障壁層１２上に下地井戸層５を備える点が異なる。なお、図４では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
ここでは、下地障壁層１２は、量子ドット１の下地層である。また、下地障壁層１２は、中間層２と下地井戸層５との間に設けられている。つまり、下地障壁層１２は、中間層２の上面に接し、かつ、下地井戸層５の下面に接する。また、下地障壁層１２は、例えば、ＡｌＡｓ下地障壁層であり、厚さは約１ＭＬである。なお、ここでは、下地障壁層１２をＡｌＡｓ層としているが、これに限られるものではなく、中間層２よりもワイドエネルギーギャップの下地障壁層１２であれば良い。例えば、中間層２よりもワイドエネルギーギャップのＡｌＧａＡｓ層を下地障壁層１２としても良い。
【００５５】
本実施形態では、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、下地井戸層５、下地障壁層１２の材料として、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）という同一の構成材料を含む半導体材料を用い、その組成を変えて、中間層２、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、下地井戸層５、下地障壁層１２の上記エネルギーギャップの関係を実現している。
【００５６】
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法は、上述の第１実施形態の量子ドット型赤外線検知器の製造方法において、中間層２を形成する工程と下地井戸層５を形成する工程との間に、下地障壁層１２を形成する工程を追加すれば良い。
具体的には、まず、上述の第１実施形態の場合と同様に、下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ電極層４を形成する工程、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２を形成する工程を行なう。
【００５７】
次いで、例えば基板温度を約６００℃から約５００℃に低下させた後、ｉ−ＡｌＧａＡｓ中間層２上に、ＡｌＡｓを約１ＭＬ分成長させて、厚さ約１ＭＬのＡｌＡｓ下地障壁層１２を形成する。
次に、ＡｌＡｓ下地障壁層１２上に、ＧａＡｓを約３ＭＬ分成長させて、厚さ約３ＭＬのＧａＡｓ下地井戸層５を形成する。
【００５８】
その後、上述の第１実施形態の場合と同様の工程を経て、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態のものと同様であるため、ここでは、その説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、感度やＳ／Ｎなどの特性を低下させることなく、応答波長を長波長化できるという利点がある。
【００５９】
特に、上述の本実施形態の構造によれば、下地井戸層５の下側に下地障壁層１２を備えるため、下地井戸層５の厚さを増加した場合に、量子閉じ込め効果が低下するのを防止することができ、感度を上げることができる。
なお、本実施形態は、上述の第１実施形態の変形例として説明しているが、これに限られるものではなく、本実施形態の構造と上述の第２実施形態の構造とを組み合わせたり、本実施形態の構造と上述の第３実施形態の構造とを組み合わせたり、本実施形態の構造と上述の第２及び第３実施形態の構造とを組み合わせたりしても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【００６０】
例えば、上述の各実施形態では、量子ドット１の材料にＩｎＡｓを用い、第１埋め込み障壁層６、第２埋め込み障壁層７、第３埋め込み障壁層１１、下地障壁層１２の材料にＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを用い、下地井戸層５、第１埋め込み井戸層９、第２埋め込み井戸層１０の材料にＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓを用い、中間層２の材料にＡｌＧａＡｓを用い、電極層４の材料にＧａＡｓを用い、ドーパントの材料にＳｉを用いた場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、他の材料を用いても量子ドット型赤外線検知器を形成することができる。
【００６１】
例えば、量子ドット１、各障壁層６，７，１１，１２、各井戸層５，９，１０、中間層２、電極層４を構成する材料としては、ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＮ，ＧａＮ，ＡｌＮ及びこれらの混晶を用いるのが有効である。
また、上述の各実施形態では、上下の電極層４の導電型をｎ型としているが、これに限られるものではなく、導電型（ｐ／ｎ型）の極性を反転させて、ｐ型としても良い。つまり、上下の電極層４に、ドープしているｎ型不純物に代えて、ｐ型不純物（例えばＢｅなど）をドープするようにしても良い。また、量子ドット１、中間層２、各障壁層６，７，１１，１２、各井戸層５，９，１０にｎ型不純物又はｐ型不純物をドーピングするようにしても良い。
【００６２】
また、上述の各実施形態では、成長法として、ＭＢＥ法を用いているが、これに限られるものではなく、例えばＭＯＣＶＤ（Metal organic chemical vapor deposition）法を用いても良い。つまり、自己組織化量子ドットを形成できる成長方法を用いれば良い。
【符号の説明】
【００６３】
１,１００  量子ドット
２,１０１  中間層
３,１０３  光電変換層（活性層）
４,１０４  電極層（コンタクト層）
５  下地井戸層
６  第１埋め込み障壁層
７  第２埋め込み障壁層
８  量子ドット層
９  埋め込み井戸層（第１埋め込み井戸層）
１０  埋め込み井戸層（第２埋め込み井戸層）
１１  第３埋め込み障壁層
１２  下地障壁層
【図１】
0005341934.tif 000002
【図２】
0005341934.tif 000003
【図３】
0005341934.tif 000004
【図４】
0005341934.tif 000005
【図５】
0005341934.tif 000006