(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
方向によって寸法が異なる量子ドットを有し、入射光が入射され、前記入射光の偏光方向に応じて異なる波長の光を光電変換して電気信号を発生する活性部と、
前記入射光の偏光方向を制御する偏光制御部と、
前記偏光制御部による前記偏光方向の制御と同期して、前記活性部が発生した前記電気信号を読み出す読出部と
を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の光半導体装置において、
前記偏光制御部は、前記入射光を直線偏光に変換する偏光子を有し、前記偏光子の向きを制御することにより、前記直線偏光の偏光方向を制御する
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の光半導体装置において、
前記偏光制御部は、前記入射光を直線偏光に変換する偏光子と、前記直線偏光の偏光方向を切り替える液晶フィルタとを有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項１記載の光半導体装置において、
前記偏向制御部は、前記入射光を、互いに直交する第１の直線偏光成分と第２の直線偏光成分とに分離する偏光分離部と、前記第１の直線偏光成分及び前記第２の直線偏光成分のいずれか一方を選択的に前記活性部に入射するシャッタ部とを有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記量子ドットは、傾斜基板上に成長したものである
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記量子ドットは、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓよりなる
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記活性部は、複数の前記量子ドットが中間層を介して積層されてなる
ことを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に係り、特に、複数の波長の赤外線を検知又は放出する多波長型の光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
あるひとつの波長の赤外線を検知する単一波長型の赤外線検知器では、物体が放出する幅広いスペクトルを有する赤外線のうち、その感度を有する単一の波長だけについて赤外線の強度を測定することができるにすぎない。
【０００３】
このため、単一波長型の赤外線検知器では、物体の温度及び赤外線検知器から物体までの距離を識別することが不可能である。すなわち、単一波長型の赤外線検知器により測定されたその感度を有する波長の赤外線強度がある値を示したとき、赤外線源である検知対象の物体が遠くに位置しているが高温であるためにその赤外線強度を示しているのか、低温であるが近くに位置しているためにその赤外線強度を示しているのか、を識別することは不可能である。
【０００４】
物体が放出する赤外線に基づき物体の温度及び物体までの距離を識別するためには、複数の波長について赤外線強度を測定する多波長型の赤外線検知器が用いられている。多波長型の赤外線検知器によれば、それぞれ感度を有する波長ごとの赤外線強度に基づき、検知対象の物体の温度が高温であるか低温であるか、その物体が遠くに位置しているのか近くに位置しているのかを識別することが可能になる。
【０００５】
かかる多波長型の赤外線検知器としては、互いに異なる波長に感度を有する複数の赤外線吸収層を基板上に積層して構成したものが提案されている（例えば特許文献１、非特許文献３を参照）。
【０００６】
提案されている多波長型の赤外線検知器の構造について図１９を用いて説明する。図１９は提案されている多波長型赤外線検知器の一例として２波長型赤外線検知器の構造を示す断面図である。
【０００７】
図示するように、基板１００上には、第１の電極層１０２が形成されている。第１の電極層１０２上には、所定の波長の赤外線に感度を有する第１の赤外線吸収層１０４が形成されている。第１の赤外線吸収層１０４上には、第２の電極層１０６が形成されている。第２の電極層１０６上には、第１の赤外線吸収層１０４が感度を有する赤外線とは異なる波長の赤外線に感度を有する第２の赤外線吸収層１０８が形成されている。第２の赤外線吸収層１０８上には、第３の電極層１１０が形成されている。
【０００８】
第１の電極層１０２の一部の領域上は、第３の電極層１１０、第２の赤外線吸収層１０８、第２の電極層１０６、及び第１の赤外線吸収層１０４が除去されており、この領域の第１の電極層１０２上に、電極１１２が形成されている。電極１１２は、第１の赤外線吸収層１０４における赤外線の吸収による光電流又は光起電力を読み出すためのものである。
【０００９】
第２の電極層１０６の一部の領域上は、第３の電極層１１０及び第２の赤外線吸収層１０８が除去されており、この領域の第２の電極層１０６上に、共通電極１１４が形成されている。
【００１０】
第３の電極層１１０上には、電極１１６が形成されている。電極１１６は、第２の赤外線吸収層１０８における赤外線の吸収による光電流又は光起電力を読み出すためのものである。
【００１１】
こうして、第１の赤外線吸収層１０４と第２の赤外線吸収層１０８とを有する２波長型の赤外線検知器が構成されている。
【特許文献１】特表２００２−５０３８７７号公報
【特許文献２】特開２００６−５８５８８号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｊ．サクライ著、Ｓａｎ  Ｆｕ  Ｔｕａｎ編、桜井明夫訳、「現代の量子力学（下）」、吉岡書店、１９８９年５月
【非特許文献２】Takeyoshi Sugaya et al., "Improved optical properties of InAs quantum dots grown with an As2 source using molecular beam epitaxy", J. Appl. Phys., Volume 100, 063107 (2006)
【非特許文献３】Mani Sundaram et al., "Two-color quantum well infrared photodetector focal plane arrays", Infrared Physics & Technology, Volume 42, pp. 301-308 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
通常の半導体素子の製造方法では、基板面内方向において、赤外線に対する感度を有する波長が異なる複数の赤外線吸収層をつくり分けることは困難である。このため、上述のように、複数の赤外線吸収層は、基板に対して垂直な方向に積層されることになる。
【００１３】
一方、赤外線の吸収による電気信号を読み出すための電極は、複数の赤外線吸収層のそれぞれに対して形成する必要がある。したがって、図１９に示すような多波長型の赤外線検知器では、各赤外線吸収層について、その赤外線吸収層に接続された電極層上の赤外線吸収層を含む半導体層をエッチングにより除去し、露出した電極層上に電極を形成する必要がある。
【００１４】
かかる多波長型の赤外線検知器では、このように複数の赤外線吸収層のそれぞれに対応して電極を設ける必要があることに起因して、電極形成工程が煩雑である、小型化に限界がある、電気信号を読み出すための読出回路が複雑、大規模なものとなる等の種々の難点があった。
【００１５】
本発明の目的は、複数の波長の光に感度を有する光検知器として機能する光半導体装置において、構造が単純で製造工程が煩雑でなく、容易に小型化を実現することができる光半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一観点によれば、入射光が入射され、前記入射光の偏光方向に応じて異なる波長の光を光電変換して電気信号を発生する活性部と、前記入射光の偏光方向を制御する偏光制御部と、前記偏光制御部による前記偏光方向の制御と同期して、前記活性部が発生した前記電気信号を読み出す読出部とを有する光半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、複数の波長の光に感度を有する光検知器として機能する光半導体装置において、入射光が入射され、入射光の偏光方向に応じて異なる波長の光を光電変換して電気信号を発生する活性部を用いたので、構造が単純で製造工程が煩雑でなく、容易に小型化を実現することができる光半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［本発明の原理］
上述のように、図１９に示すような構造を有する多波長型の赤外線検知器には、複数の赤外線吸収層のそれぞれについて、赤外線吸収層を含む半導体層をエッチングにより除去して電極を形成する必要がある。このため、電極形成工程が煩雑なものとなる。また、赤外線吸収層を除去したのでは、除去した分だけ赤外線を検知することができなくなり、赤外線検知器としての感度の低下することになる。
【００２０】
また、各赤外線吸収層に対する電極のそれぞれについて、その形成に必要な面積を確保しなければならないため、小型化には限界がある。
【００２１】
さらには、かかる構造を有する赤外線検知素子を撮像素子としてアレイ化して撮像装置を構成した場合、各画素に対応する読出回路として、それぞれの波長に対応した回路を用意する必要がある。このため、撮像装置を構成した場合に、その小型化が非常に困難なものとなる。
【００２２】
このように、複数の赤外線吸収層が基板に垂直な方向に積層されている多波長型赤外線検知器には種々の不都合が存在する。これら不都合は、赤外線の吸収による電気信号を読み出すための電極がそれぞれの波長について必要であることに起因するものである。
【００２３】
そこで、本願発明者らは、赤外線の複数の波長のそれぞれに感度を有する単一の赤外線吸収層を用い、各波長の赤外線の吸収による電気信号を別個独立に読み出すように多波長型赤外線検知器を構成することができれば、上記の不都合を解決することができると考えた。
【００２４】
そして、本願発明者らは、赤外線の複数の波長のそれぞれに感度を有する単一の赤外線吸収層としては、入射する赤外線の偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なる活性層を用いればよいことを見出した。
【００２５】
以下、本発明の原理について図１乃至図３を用いて説明する。図１は本発明の原理を説明する概略図、図２は入射光の偏光方向に応じて感度を有する波長が異なる本発明による光吸収層の吸収スペクトルを示すグラフ、図３は本発明による量子ドットの成長の様子を示す概略図である。
【００２６】
入射する赤外線の偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なる活性層は、以下に述べるように、例えば量子ドットを用いて構成することができる。
【００２７】
図１（ａ）は、半導体基板上に形成された量子ドット及びその量子閉じ込め効果が生じる方向を示す概略図である。
【００２８】
図示するように、半導体基板１０上に形成された量子ドット１２には、Ｄ１方向、Ｄ２方向、及びＤ３方向の互いに直交する３つの方向のそれぞれにおいて、電位障壁による量子閉じ込め効果が生じている。図１（ａ）において、Ｄ１方向及びＤ２方向は、半導体基板１０に平行な面内で互いに直交する方向であり、Ｄ３方向は、半導体基板１０に平行な面に垂直な方向である。
【００２９】
量子ドット内に閉じ込められたキャリアの波動関数をΨとすると、この量子ドット内に形成された離散的な量子準位のうち第ｉ番目の量子準位と第ｊ番目の量子準位との間の遷移確率は、その量子準位間での行列要素
【００３０】
【数１】
0004538516.tif 000002
【００３１】
に比例する（非特許文献１を参照）。ここで、ｅは遷移に伴って吸収又は放出される光の電界ベクトル、ｐはキャリアの運動量演算子を表している。
【００３２】
上記の式におけるベクトルｐの方向はキャリアの運動方向に相当し、ベクトルｅは光の偏光方向に相当する。したがって、上記の式によれば、光の偏光方向を例えばｘ方向としたとき、量子ドットに閉じ込められたキャリアの運動方向がｘ方向であるときに遷移確率が最大となり、量子ドットに閉じ込められたキャリアの運動方向がｙ方向及びｚ方向であるときに遷移確率が０となることがわかる。
【００３３】
このことから、量子ドットでの光の吸収又は放出は、その量子ドット内のキャリアの運動方向に対して、平行な方向に偏光方向を有する光の場合に最も強くなり、直交する方向に偏光方向を有する光の場合に０になることがわかる。
【００３４】
さらに、このときの準位間の遷移に伴って吸収又は放出される光の波長λは、その準位間のエネルギー差をＥ、プランク定数をｈ、自由空間での光の速さをｃとして次式で表される。
【００３５】
【数２】
0004538516.tif 000003
【００３６】
以上より、量子ドットにおけるそれぞれの方向に対応する量子準位のエネルギー差を互いに異なるように設定すれば、量子ドットで吸収されキャリアを励起する光の波長を、その偏光方向に応じて異なるように設定することが可能になる。また、量子ドットにおいてキャリアが緩和する際に放出される光の偏光方向を、その波長に応じて異なるように設定することが可能になる。
【００３７】
ここで、量子ドットの波動関数、ひいては量子準位は、キャリアの閉じ込め条件に影響を及ぼす要因によって決定される。かかる要因としては、量子ドットの形状異方性、すなわち量子ドットのそれぞれの方向における寸法、量子ドットに加わる歪みの面内異方性等がある。
【００３８】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す量子ドット１２が形状異方性を有し、量子閉じ込めの方向であるＤ１方向、Ｄ２方向、及びＤ３方向で寸法が互いに異なる場合の量子準位を示す図である。Ｄ１方向、Ｄ２方向、及びＤ３方向で量子ドットの寸法が互いに異なることで、図示するように、Ｄ１方向に対応する励起準位Ｅ１、Ｄ２方向に対応する励起準位Ｅ２、及びＤ３方向に対応する励起準位Ｅ３は、互いにエネルギー位置が異なるものとなる。
【００３９】
したがって、例えば、方向によって寸法の異なる量子ドットを有する単層の量子ドット層又はその積層体よりなる活性層を光吸収層として用いることにより、偏光方向に応じて異なる波長の光を吸収する光吸収層、すなわち偏光方向に応じて光に対する感度を有する波長が異なる光吸収層を構成することが可能になる。また、例えば方向によって寸法の異なる量子ドットを有する単層の量子ドット層又はその積層体よりなる活性層を発光層として用いることにより、波長によって偏光方向の異なる多波長の波長の光を発光する発光層を構成することができる。
【００４０】
図２は、入射光の偏光方向に応じて感度を有する波長が異なる光吸収層の吸収スペクトルを示すグラフである。グラフには、偏光方向Ａの赤外線に対する吸収スペクトルと、偏光方向Ａに直交する偏光方向Ｂの赤外線に対する吸収スペクトルを示している。吸収スペクトルを測定した光吸収層は、偏光方向Ａに平行な方向と偏光方向Ｂに平行な方向とで寸法が異なる量子ドットを用いて構成したものである。
【００４１】
両スペクトルの比較から、偏光方向Ａの赤外線に対する感度を有する波長と偏光方向Ｂの赤外線に対する感度を有する波長とが異なっていることが分かる。
【００４２】
本発明は、方向によって寸法が異なる量子ドットを有する量子ドット層を光吸収層又は発光層として用い、受光素子又は発光素子を構成するものである。
【００４３】
本発明による受光素子又は発光素子の活性層を構成する、方向によって寸法が異なる量子ドットの形成方法は例えば以下の通りである。
【００４４】
まず、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法）によりＧａＡｓ基板上にＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓよりなる量子ドットを成長する場合において、Ａｓ源としてＡｓ４分子線を用いることにより、異方的な量子ドットが形成されることが報告されている（非特許文献２参照）。したがって、このような量子ドットの成長方法を用いることにより、方向によって寸法が異なる量子ドットを形成することができる。
【００４５】
また、量子ドットを成長する下地の基板として、劈開面から数度程度傾斜した表面を有する結晶基板、すなわち傾斜基板を用いることにより、方向によって寸法が異なる量子ドットを形成することができる。
【００４６】
図３は、傾斜基板上に量子ドットが成長する様子を示している。
【００４７】
図示するように、傾斜基板１４の表面には、原子層のステップ１６が周期的に平行に並んでいる。このような傾斜基板１４の表面に付着した量子ドット材料１８は、ステップ１６に垂直な方向よりもステップ１６に平行な方向に容易に動くことができる。したがって、成長している量子ドット２０には、ステップ１６に垂直な方向からよりもステップ１６に平行な方向からより多くの量子ドット材料１８が供給される。この結果、形成される量子ドット２０の寸法は、ステップ１６に平行な方向に大きく、ステップ１６に垂直な方向に小さなものとなる。
【００４８】
こうして、量子ドットを成長する下地の基板として傾斜基板を用いることにより、方向によって寸法が異なる量子ドットを形成することができる。
【００４９】
さらには、量子ドットの成長速度の面方位依存性を利用したり、量子ドット材料と量子ドットが成長する下地材料との結晶格子定数の差が方向によって異なるように量子ドット材料及び下地材料を適宜選択したりすることにより、方向によって寸法が異なる量子ドットを形成することができる。
【００５０】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による光半導体装置について図４乃至図９を用いて説明する。図４は本実施形態による光半導体装置における受光素子の構造を示す断面図、図５は本実施形態による光半導体装置の全体構造を示す概略図、図６乃至図８は本実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図、図９は本実施形態の変形例による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。
【００５１】
はじめに、本実施形態による光半導体装置の構造について図４及び図５を用いて説明する。本実施形態による光半導体装置は、波長ごとに独立して赤外線強度を測定することが可能な多波長型の赤外線検知器として機能するものである。
【００５２】
まず、本実施形態による光半導体装置における受光素子２２について説明する。
【００５３】
図４に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板よりなる半導体基板２４上には、例えば膜厚１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層よりなる下部電極層２６が形成されている。
【００５４】
下部電極層２６上には、例えば膜厚１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層よりなる中間層２８が形成されている。
【００５５】
中間層２８上には、ＩｎＧａＡｓよりなる複数の量子ドット３０よりなる量子ドット層３２が形成されている。量子ドット３０の組成は、例えばＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓとなっている。量子ドット層３２上には、量子ドット３０を埋め込むように、例えば膜厚１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層よりなる中間層３４が形成されている。中間層３４上には、更に、量子ドット層３２と中間層３４とが例えば３回繰り返して積層されている。
【００５６】
こうして、下部電極層２６上に、中間層２８と、中間層２８上に量子ドット層３２と中間層３４とが例えば４回繰り返して積層されてなる積層体とを有する赤外線吸収層３６が形成されている。
【００５７】
赤外線吸収層３６を構成する各量子ドット層３２の量子ドット３０は、後述するようにＡｓ源としてＡｓ４分子線を用いたＭＢＥ法により成長したものであり、形状異方性を有し、方向によって寸法が異なっている。特に、量子ドット３０は、基板面に平行な平面内の方向によって寸法が異なっており、後述するように赤外線源から入射する赤外線の進行方向に垂直な平面内の方向によって寸法が異なっている。このように量子ドット３０の寸法が方向によって異なっているため、赤外線吸収層３６は、偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なっている。
【００５８】
赤外線吸収層３６の最上層の中間層３４上には、例えば膜厚１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層よりなる上部電極層３８が形成されている。
【００５９】
下部電極層２６の一部の領域上は、上部電極層３８及び赤外線吸収層３６が除去されており、この領域の下部電極層２６上に、ＡｕＧｅ／Ａｕ層よりなる電極４０が形成されている。
【００６０】
上部電極層３８上には、ＡｕＧｅ／Ａｕ層よりなる電極４２が形成されている。
【００６１】
こうして、本実施形態による光半導体装置における受光素子２２が構成されている。
【００６２】
次に、本実施形態による光半導体装置の全体構成について説明する。
【００６３】
図４に示す受光素子２２には、電極４０、４２を介して、図５に示すように、赤外線吸収層３６の赤外線の吸収による電気信号を読み出すための読出回路４４が接続されている。なお、受光素子２２は、基板上にマトリクス状に複数形成してアレイ化してもよい。
【００６４】
受光素子２２には、例えば、半導体基板２４の電極４０、４２が形成されていない面側から基板面に垂直に赤外線源（図示せず）から赤外線が入射する。前述のように、量子ドット３０は、基板面に平行な平面内の方向によって寸法が異なっているため、赤外線の進行方向に垂直な平面内の方向によって寸法が異なっている。
【００６５】
受光素子２２の赤外線が入射する側には、受光素子２２に入射する赤外線を、直線偏光の赤外線に変換する偏光子４６が配置されている。偏光子４６は、偏光子４６を透過して受光素子２２に入射する直線偏光の赤外線の偏光方向を制御することができるように、その向きが機械的に制御されるようになっている。偏光子４６には、偏光子４６の向きを制御する制御部４８が接続されている。
【００６６】
制御部４８と読出回路４４とには、制御部４８による偏光子４６の向きの制御と、読出回路４４による電気信号の読み出しとを同期して行うための同期信号を生成する同期信号生成部５０が接続されている。
【００６７】
こうして、本実施形態による光半導体装置が構成されている。
【００６８】
本実施形態による光半導体装置は、受光素子２２の赤外線吸収層３６が、方向によって寸法が異なる量子ドット３０よりなる量子ドット層３２が積層されて構成されており、偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なっている。このような赤外線吸収層３６に対して、向きが機械的に制御される偏光子４６により、赤外線源からの赤外線を直線偏光の赤外線に変換し、直線偏光の赤外線をその偏光方向を制御して入射する。
【００６９】
直線偏光の赤外線が入射した赤外線吸収層３６は、偏光子４６により制御された赤外線の偏光方向について感度を有する波長の赤外線を吸収し、光電変換により光電流又は光起電力を生じる。この赤外線の吸収に伴う光電流又は光起電力、すなわち電気信号は、偏光子４６による偏光方向の制御に同期して読出回路４４により読み出され、読み出された電気信号に基づきその波長の赤外線の強度が測定される。
【００７０】
こうして、本実施形態による光半導体装置では、受光素子２２に入射する赤外線の偏光方向を制御することにより、波長ごとに独立して赤外線強度を測定することができる。
【００７１】
このように、本実施形態による光半導体装置は、複数の赤外線吸収層を必要とすることなく、偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なる単一の赤外線吸収層３６により、波長ごとに独立して赤外線強度を測定することが可能となっている。
【００７２】
したがって、本実施形態による光半導体装置は、受光素子２２の構造が単純で製造工程が煩雑でなく、電極を形成するために必要な領域の面積を低減することができる。また、受光素子２２からの信号を読み出すための読出回路４４を単純で小規模なものとすることができる。これにより、本実施形態によれば、光半導体装置の小型化を容易に実現することができる。
【００７３】
次に、図４に示す本実施形態による受光素子２２の製造方法について図６乃至図８を用いて説明する。
【００７４】
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板よりなる半導体基板２４上に、例えばＭＢＥ法により、例えば６００℃の基板温度で、ｎ型ＧａＡｓ層よりなる下部電極層２６を成長する（図６（ａ））。下部電極層２６の膜厚は、例えば１０００ｎｍとする。また、下部電極層２６へのドーピングは、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば２×１０１８ｃｍ−３とする。
【００７５】
次いで、下部電極層２６上に、例えばＭＢＥ法により、ｉ型ＧａＡｓ層よりなる中間層２８を成長する（図６（ｂ））。中間層２８の膜厚は、例えば１００ｎｍとする。なお、中間層２８を成長する間に、基板温度を、この後の量子ドット３０の成長に適した例えば４００℃に降温する。
【００７６】
次いで、中間層２８上に、ＭＢＥ法により、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓよりなる複数の量子ドット３０を成長し、量子ドット層３２を形成する（図６（ｃ））。Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓよりなる量子ドット３０は、例えば４００℃の基板温度にて、Ａｓ源としてＡｓ４分子線を用い、総供給量が例えば８ＭＬ（monolayer）相当のＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓを、例えば０．１ＭＬ／ｓの速度で供給して、ストランスキー−クラスタノフ（Stranski-Krastanov）結晶成長モードにより成長する。この結晶成長モードでは、臨界膜厚相当分を超える量のＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓを供給することにより、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層に加わる圧縮歪みが増加し、Ｉｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓよりなる複数の量子ドット３０が自己形成される。また、Ａｓ４分子線をＡｓ源として用いることにより、方向によって寸法が異なる量子ドット３０が成長する。
【００７７】
次いで、量子ドット層３２上に、例えばＭＢＥ法により、複数の量子ドット３０を埋め込むように、ｉ型ＧａＡｓ層よりなる中間層３４を成長する（図６（ｄ））。中間層３４の膜厚は、例えば１００ｎｍとする。
【００７８】
次いで、中間層３４上に、上記の手順と同様にして、量子ドット層３２と中間層３４とを、所望の回数、例えば３回繰り返して成長する。各量子ドット層３２は、例えば上記と同様の成長条件で成長する。なお、最上層の中間層３４を成長する間に、基板温度を、この後の上部電極層３８の成長に適した例えば６００℃に昇温する。こうして、下部電極層２６上に、中間層２８と、中間層２８上に量子ドット層３２と中間層３４とが例えば４回繰り返して積層されてなる積層体とを有する赤外線吸収層３６を形成する（図７（ａ））。
【００７９】
次いで、赤外線吸収層３６上に、例えばＭＢＥ法により、例えば６００℃の基板温度で、ｎ型ＧａＡｓ層よりなる上部電極層３８を成長する（図７（ｂ））。上部電極層３８の膜厚は、例えば１０００ｎｍとする。また、上部電極層３８へのドーピングは、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば２×１０１８ｃｍ−３とする。
【００８０】
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上部電極層３８及び赤外線吸収層３６を除去し、下部電極層２６の表面を露出する（図８（ａ））。
【００８１】
次いで、例えば金属蒸着法により、露出した下部電極層２６上及び上部電極層３８上に、それぞれＡｕＧｅ／Ａｕ層よりなる電極４０、４２を形成し、本実施形態による受光素子２２を完成する（図８（ｂ））。
【００８２】
このように、本実施形態によれば、方向によって寸法が異なる量子ドット３０よりなる量子ドット層３２を積層して、偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なる赤外線吸収層３６を構成し、このような単一の赤外線吸収層３６に対して、向きが機械的に制御される偏光子４６により、赤外線源からの赤外線を直線偏光の赤外線に変換し、直線偏光の赤外線をその偏光方向を制御して入射するので、波長ごとに独立して赤外線強度を測定することができる。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、受光素子２２の構造が単純で製造工程が煩雑でなく、電極を形成するために必要な領域の面積を低減することができ、また、読出回路４４を単純で小規模なものとすることができるので、光半導体装置の小型化を容易に実現することができる。
【００８４】
なお、上記では、例えば４層の量子ドット層３２を同一の成長条件で成長することにより積層したが、積層する複数の量子ドット層３２を異なる成長条件で成長してもよい。このように、複数の量子ドット層３２を異なる成長条件で成長することにより、複数の量子ドット層３２間で、量子ドット３０の寸法又は形状を異なるようにすることができる。複数の量子ドット層３２間で量子ドット３０の寸法又は形状が異なることで、複数の量子ドット層３２が吸収する赤外線の波長を互いに異なるようにすることができ、赤外線吸収層３６が感度を有する赤外線の波長数を増加することができる。
【００８５】
例えば、赤外線吸収層３６を構成する例えば４層の量子ドット層３２のうち１層又は数層の量子ドット層３２を、総供給量が例えば８ＭＬ相当のＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓを、例えば０．１ＭＬ／ｓの速度で供給して成長する。一方、他の量子ドット層３２を、総供給量が例えば１０ＭＬ相当のＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓを、例えば０．１ＭＬ／ｓの速度で供給して成長する。
【００８６】
このように、成長条件の異なる複数の量子ドット層３２を積層して赤外線吸収層３６を構成し、赤外線吸収層３６が感度を有する赤外線の波長数を増加してもよい。
【００８７】
なお、成長条件の異なる複数の量子ドット層３２を積層することによるほか、材料の異なる複数の量子ドット層３２を積層して赤外線吸収層３６を構成してもよい。このように、方向によって寸法の異なる量子ドット３０よりなる複数の量子ドット層３２の材料が異なることによっても、複数の量子ドット層３２が吸収する赤外線の波長を互いに異なるようにすることができ、赤外線吸収層３６が感度を有する赤外線の波長数を増加することができる。
【００８８】
上述のようにして赤外線吸収層３６が感度を有する赤外線の波長数を増加した場合には、図５に示す構成に加えて、波長フィルタを偏光子４６の前段に配置することにより、受光素子２２に入射する赤外線の波長域を、測定すべき所望の波長を含む特定の波長域に制限する。図９は、赤外線吸収層３６が感度を有する赤外線の波長数を増加した場合の光半導体装置の全体構成を示す概略図である。
【００８９】
図示するように、偏光子４６の前段、すなわち偏光子４６の赤外線が入射する側には、測定すべき所望の波長を含む特定の波長域の赤外線を透過する波長フィルタ５２が配置されている。波長フィルタ５２としては、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ等を測定すべき赤外線の波長に応じて用いる。
【００９０】
偏光子４６には、波長フィルタ５２を介して、赤外線源からの赤外線のうち、測定すべき波長を含む特定の波長域の赤外線が入射する。偏光子４６に入射した特定の波長域の赤外線は、上述のように偏光子４６により直線偏光に変換され、その偏光方向が制御されて受光素子２２に入射する。
【００９１】
こうして、波長フィルタ５２によって受光素子２２に入射する赤外線の波長域を制限することにより、赤外線吸収層３６が感度を有する複数の波長のそれぞれについて独立して赤外線強度を測定することができる。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による光半導体装置について図１０を用いて説明する。図１０は本実施形態による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。なお、第１実施形態による光半導体装置と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００９２】
本実施形態による光半導体装置の基本的構成は、第１実施形態による光半導体装置とほぼ同様である。本実施形態による光半導体装置は、直線偏光の偏光方向を制御するためにその向きが制御される偏光子４６に代えて、赤外線源からの赤外線を直線偏光に変換する偏光子５４と、偏光子５４からの直線偏光の赤外線の偏光方向を切り替える液晶フィルタ５６とを有する点で、第１実施形態による光半導体装置と異なっている。
【００９３】
図１０に示すように、受光素子２２には、第１実施形態による光半導体装置と同様に読出回路４４が接続されている。
【００９４】
受光素子２２の赤外線が入射する側には、受光素子２２に入射する赤外線を、直線偏光の赤外線に変換する偏光子５４が配置されている。偏光子５４の向きは、所定の向きに固定されている。
【００９５】
偏光子５４と受光素子２２との間には、偏光子５４からの直線偏光の赤外線の偏光方向を切り替える液晶フィルタ５６が配置されている。液晶フィルタ５６には、液晶フィルタ５６による偏光方向の切り替えを制御する制御部５８が接続されている。液晶フィルタ５６は、制御部５８からの電気信号に基づき、その液晶分子の配向を変え、偏光子５４からの直線偏光の赤外線の偏光方向を切り替える。
【００９６】
制御部５８と読出回路４４とには、液晶フィルタ５６による偏光方向の切り替えの制御部５８による制御と、読出回路４４による電気信号の読み出しとを同期して行うための同期信号を生成する同期信号生成部６０が接続されている。
【００９７】
本実施形態による光半導体装置は、受光素子２２の赤外線吸収層３６に対して、偏光子５４により赤外線源からの赤外線を直線偏光の赤外線に変換し、直線偏光の赤外線を、液晶フィルタ５６によりその偏光方向を切り替えて入射する。
【００９８】
直線偏光の赤外線が入射した受光素子２２の赤外線吸収層３６は、液晶フィルタ５６により制御された赤外線の偏光方向について感度を有する波長の赤外線を吸収する。この赤外線の吸収に伴う電気信号は、液晶フィルタ５６による偏光方向の切り替えに同期して読出回路４４により読み出され、読み出された電気信号に基づきその波長の赤外線の強度が測定される。こうして、本実施形態による光半導体装置では、受光素子２２に入射する赤外線の偏光方向を制御することにより、波長ごとに独立して赤外線強度を測定することができる。
【００９９】
このように、偏光子５４により赤外線源からの赤外線を直線偏光の赤外線に変換し、直線偏光の赤外線を、液晶フィルタ５６によりその偏光方向を切り替えて赤外線吸収層３６に入射するようにしてもよい。
【０１００】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による光半導体装置について図１１を用いて説明する。図１１は本実施形態による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。なお、第１及び第２実施形態による光半導体装置と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【０１０１】
本実施形態による光半導体装置の基本的構成は、第１実施形態による光半導体装置とほぼ同様である。本実施形態による光半導体装置は、直線偏光の偏光方向を制御するためにその向きが制御される偏光子４６に代えて、偏光ビームスプリッタ６２及び一対のシャッタ６６ａ、６６ｂを用いて、赤外線源からの赤外線のうちの所定の直線偏光成分を受光素子２２に入射する点で、第１実施形態による光半導体装置と異なっている。
【０１０２】
図１１に示すように、受光素子２２には、第１実施形態による光半導体装置と同様に読出回路４４が接続されている。
【０１０３】
受光素子２２の赤外線が入射する側には、赤外線源からの赤外線を互いに直交する２つの直線偏光成分、すなわちＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタ６２が配置されている。Ｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ６２を透過してそのまま受光素子２２に向かってに進行するようになっている。また、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ６２で反射され、更に偏光ビームスプリッタ６２近傍に配置されたミラー６４で反射されて受光素子２２に向かって進行するようになっている。
【０１０４】
偏光ビームスプリッタ６２と受光素子２２との間には、シャッタ６６ａ、６６ｂが配置されている。
【０１０５】
一方のシャッタ６６ａは、受光素子２２に向かって進行するＰ偏光成分の光路上で開閉動作する。シャッタ６６ａの開いた状態でＰ偏光成分が受光素子２２に入射し、閉じた状態でＰ偏光成分の受光素子２２への入射が遮断される。シャッタ６６ａには、シャッタ６６ａの開閉動作を制御する制御部６８ａが接続されている。
【０１０６】
他方のシャッタ６６ｂは、受光素子２２に向かって進行するＳ偏光成分の光路上で開閉動作する。シャッタ６６ｂの開いた状態でＳ偏光成分が受光素子２２に入射し、閉じた状態でＳ偏光成分の受光素子２２への入射が遮断される。シャッタ６６ｂには、シャッタ６６ｂの開閉動作を制御する制御部６８ｂが接続されている。
【０１０７】
シャッタ６６ａ、６６ｂの開閉動作は、一方が開いた状態のときに他方が閉じた状態となるように制御部６８ａ、６８ｂにより制御される。これにより、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分のいずれか一方が受光素子２２に選択的に入射するようになっている。
【０１０８】
制御部６８ａ、６８ｂと読出回路４４とには、制御部６８ａ、６８ｂによるシャッタ６６ａ、６６ｂの開閉動作の制御と、読出回路４４による電気信号の読み出しとを同期して行うための同期信号を生成する同期信号生成部７０が接続されている。
【０１０９】
本実施形態による光半導体装置は、受光素子２２の赤外線吸収層３６に対して、偏光ビームスプリッタ６２により赤外線源からの赤外線をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、シャッタ６６ａ、６６ｂによりいずれか一方の直線偏光成分を選択的に入射する。
【０１１０】
Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分が入射した受光素子２２の赤外線吸収層３６は、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分の偏光方向について感度を有する波長の赤外線を吸収する。この赤外線の吸収に伴う電気信号は、制御部６８ａ、６８ｂによるシャッタ６６ａ、６６ｂの開閉動作の制御に同期して読出回路４４により読み出され、読み出された電気信号に基づきその波長の赤外線の強度が測定される。こうして、本実施形態による光半導体装置では、受光素子２２に入射する赤外線の直線偏光成分を制御することにより、波長ごとに独立して赤外線強度を測定することができる。
【０１１１】
このように、偏光ビームスプリッタ６２により赤外線源からの赤外線をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、シャッタ６６ａ、６６ｂによりいずれか一方の直線偏光成分を赤外線吸収層３６に入射するようにしてもよい。
【０１１２】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による受光素子の製造方法について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２及び図１３は本実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図である。なお、第１乃至第３実施形態による光半導体装置と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【０１１３】
第１実施形態では、Ａｓ源としてＡｓ４分子線を用いたＭＢＥ法により、方向によって寸法の異なる量子ドット３０を成長する場合について説明したが、方向によって寸法の異なる量子ドット３０はこのほか種々の方法によって成長することができる。
【０１１４】
本実施形態では、量子ドット３０を成長する下地の基板として、表面が所定の面方位から傾斜した傾斜基板７２を用いることにより、方向によって寸法の異なる量子ドット３０を成長する場合について説明する。
【０１１５】
まず、傾斜基板７２上に、例えばＭＢＥ法により、例えば６００℃の基板温度で、ｎ型ＧａＡｓ層よりなる下部電極層２６を成長する（図１２（ａ））。傾斜基板７２としては、例えば表面が面方位（１００）から（１１１）方向へ５°傾斜した半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いる。
【０１１６】
次いで、下部電極層２６上に、例えばＭＢＥ法により、ｉ型ＧａＡｓ層よりなる中間層２８を成長する（図１２（ｂ））。中間層２８の膜厚は、例えば１００ｎｍとする。なお、中間層２８を成長する間に、基板温度を、この後の量子ドット３０の成長に適した例えば４００℃に降温する。
【０１１７】
次いで、中間層２８上に、ＭＢＥ法により、ＩｎＧａＡｓよりなる複数の量子ドット３０を成長し、量子ドット層３２を形成する（図１２（ｃ））。ＩｎＧａＡｓよりなる量子ドット３０は、例えば４００℃の基板温度にて、総供給量が例えば８ＭＬ相当のＩｎＧａＡｓを、例えば０．１ＭＬ／ｓの速度で供給して、ストランスキー−クラスタノフ結晶成長モードにより成長する。本実施形態では、量子ドット３０を成長する下地の基板として傾斜基板７２を用いているため、方向によって寸法の異なる量子ドット３０が成長する。
【０１１８】
次いで、量子ドット層３２上に、例えばＭＢＥ法により、複数の量子ドット３０を埋め込むように、ｉ型ＧａＡｓ層よりなる中間層３４を成長する（図１２（ｄ））。中間層３４の膜厚は、例えば１００ｎｍとする。
【０１１９】
次いで、中間層３４上に、上記の手順と同様にして、量子ドット層３２と中間層３４とを、所望の回数、例えば３回繰り返して成長する。各量子ドット層３２は、例えば上記と同様の成長条件で成長する。こうして、下部電極層２６上に、中間層２８と、中間層２８上に量子ドット層３２と中間層３４とが例えば４回繰り返して積層されてなる積層体とを有する赤外線吸収層３６を形成する（図１３（ａ））。
【０１２０】
以後、図７（ｂ）乃至図８（ｂ）に示す第１実施形態による受光素子の製造方法と同様にして、上部電極層３８、電極４０、４２を形成し、本実施形態による受光素子を完成する（図１３（ｂ））。
【０１２１】
このように、量子ドット３０を成長する下地の基板として傾斜基板７２を用いることにより、方向によって寸法の異なる量子ドット３０を成長してもよい。
【０１２２】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による発光素子について図１４乃至図１８を用いて説明する。図１４は本実施形態による発光素子の構造を示す断面図、図１５は本実施形態による発光素子の発光原理を説明する図、図１６乃至図１８は本実施形態による発光素子の製造方法を示す工程断面図である。
【０１２３】
上記第１乃至第４実施形態では、本発明の原理を受光素子に適用し、方向によって寸法の異なる量子ドット３０よりなる量子ドット層３２を積層して赤外線吸収層３６を構成する場合について説明したが、本発明の原理は発光素子に適用することもできる。すなわち、方向によって寸法の異なる量子ドットよりなる量子ドット層を積層して発光素子の発光層を構成することにより、波長によって偏光方向の異なる多波長の光を発光する発光素子を実現することができる。
【０１２４】
本実施形態では、本発明の原理を発光素子に適用した場合について説明する。
【０１２５】
まず、本実施形態による発光素子の構造について図１４を用いて説明する。
【０１２６】
図示するように、傾斜基板７４上には、例えば膜厚１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層よりなる下部電極層７６が形成されている。傾斜基板７４としては、例えば表面が面方位（１００）から（１１１）方向へ５°傾斜した半絶縁性ＧａＡｓ基板が用いられている。
【０１２７】
下部電極層７６上には、多重量子井戸構造を有する多重量子井戸層７８が形成されている。多重量子井戸層７８は、例えば膜厚５ｎｍのｉ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層よりなる井戸層と、例えば膜厚５ｎｍのｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．３Ａｓ層よりなる障壁層とを例えば１０回繰り返し積層することにより構成されている。
【０１２８】
多重量子井戸層７８上には、ＩｎＡｓよりなる複数の量子ドット８０よりなる量子ドット層８２が形成されている。量子ドット層８２上には、量子ドット８０を埋め込むように、例えば膜厚１０ｎｍのｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．３Ａｓ層よりなる中間層８４が形成されている。中間層８４上には、更に、多重量子井戸層７８と量子ドット層８２と中間層８４とが例えば３回繰り返して積層されている。最上層の中間層８４上には、更に、多重量子井戸層７８が形成されている。
【０１２９】
こうして、下部電極層７６上に、多重量子井戸層７８と量子ドット層８２と中間層８４とが例えば４回繰り返して積層されてなる積層体と、この積層体上に形成された多重量子井戸層７８とを有する発光層８６が形成されている。
【０１３０】
発光層８６を構成する各量子ドット層８２の量子ドット８０は、傾斜基板７４上に成長したものであり、形状異方性を有し、方向によって寸法が異なっている。特に、量子ドット８０は、基板面に平行な平面内の方向によって寸法が異なっている。
【０１３１】
発光層８６の最上層の多重量子井戸層７８上には、例えば膜厚１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層よりなる上部電極層８８が形成されている。
【０１３２】
下部電極層７６の一部の領域上は、上部電極層８８及び発光層８６が除去されており、この領域の下部電極層７６上に、ＡｕＧｅ／Ａｕ層よりなる電極９０が形成されている。
【０１３３】
上部電極層８８上には、ＡｕＧｅ／Ａｕ層よりなる電極９２が形成されている。
【０１３４】
こうして、本実施形態による発光素子が構成されている。
【０１３５】
次に、本実施形態による発光素子の発光原理について図１５を用いて説明する。
【０１３６】
図１４に示す本実施形態による発光素子において、多重量子井戸層７８には、図１５に示すように、量子効果によるサブバンド９４が形成されている。本実施形態による発光素子に電気信号を入力する、すなわち電極９０、９２間に電圧を印加して発光層８６に電流を流すと、キャリア（電子）９６は、主としてサブバンド９４を通って多重量子井戸層７８を横断し、量子ドット層８２へ供給される。
【０１３７】
ここで、多重量子井戸層７８及び量子ドット層８２では、サブバンド９４から量子ドット層８２の高次の量子準位Ｅｈにキャリア９６が移動することができるように、それぞれのエネルギー準位の高さが設定されている。このため、キャリア９６は、サブバンド９４から量子ドット層８２の高次の量子準位Ｅｈに流入する。その後、キャリア９６は、量子ドット層８２の高次の量子準位Ｅｈから低次の量子準位Ｅｌに緩和し、この緩和に伴って、高次の量子準位Ｅｈと低次の量子準位Ｅｌとの間のエネルギー差に相当する光が放出される。
【０１３８】
さらに、多重量子井戸層７８及び量子ドット層８２では、量子ドット層８２の低次の量子準位Ｅｌから、陽極側すなわちキャリアの流れについて下流側の多重量子井戸層７８のサブバンド９４へキャリア９６が移動することができるように、それぞれのエネルギー準位の高さが設定されている。これにより、キャリア９６は、量子ドット層８２に溜まることなく、多重量子井戸層７８を介して積層された各量子ドット層８２を順次流れ続ける。この結果、各量子ドット層８２において継続して発光が生じる。
【０１３９】
なお、上述したエネルギー準位の設定は、量子ドット３０の大きさ、多重量子井戸層７８の厚さ等を調整し、また、これらの材料として用いる元素を適宜選択することにより行うことができる。
【０１４０】
こうして、本実施形態による発光素子は、電極９０、９２間に電圧を印加して発光層８６に電流を流すことにより、発光層８６の各量子ドット層８２において光電変換により発光を生じる。ここで、各量子ドット層８２の量子ドット８０は、方向によって寸法が異なっている。このため、各量子ドット層８２において、量子ドット８０の寸法が異なる方向に対応して、エネルギー位置が異なる複数の励起準位が形成されている。このため、発光層８６の各量子ドット層８２からは、波長によって偏光方向の異なる多波長の光が放出される。
【０１４１】
ここで、量子ドット８０は、特に、基板面に平行な平面内の方向によって寸法が異なっているため、波長によって偏光方向の異なる多波長の光の進行方向は、基板面に垂直な方向となる。すなわち、量子ドット８０は、放出される多波長の光の進行方向に垂直な平面内の方向によって寸法が異なっている。
【０１４２】
このように、本実施形態による発光素子は、発光層８６を構成する各量子ドット層８２の量子ドット８０が、方向によって寸法が異なっているため、波長によって偏光方向の異なる多波長の光を発光することができる。本実施形態によれば、複数の発光層を必要とすることなく、波長によって偏光方向の異なる多波長の光を単一の発光層８６により発光することができるので、簡単な構成で、偏光方向の異なる多波長の光を発光する偏光光源を構成することができる。
【０１４３】
次に、本実施形態による発光素子の製造方法について図１６乃至図１８を用いて説明する。
【０１４４】
まず、傾斜基板７４上に、例えばＭＢＥ法により、例えば６００℃の基板温度で、ｎ型ＧａＡｓ層よりなる下部電極層７６を成長する（図１６（ａ））。傾斜基板７４としては、例えば表面が面方位（１００）から（１１１）方向へ５°傾斜した半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いる。また、下部電極層７６の膜厚は、例えば１０００ｎｍとする。また、下部電極層７６へのドーピングは、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば２×１０１８ｃｍ−３とする。
【０１４５】
下部電極層７６を形成した後、基板温度を、この後の量子ドット８０の成長に適した例えば４５０℃に降温する。
【０１４６】
次いで、下部電極層７６上に、例えばＭＢＥ法により、例えば膜厚５ｎｍのｉ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層よりなる井戸層と、例えば膜厚５ｎｍのｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．３Ａｓ層よりなる障壁層とを例えば１０回繰り返し積層することにより、多重量子井戸層７８を形成する（図１６（ｂ））。
【０１４７】
次いで、多重量子井戸層７８上に、ＭＢＥ法により、ＩｎＡｓよりなる複数の量子ドット８０を成長し、量子ドット層８２を形成する（図１６（ｃ））。ＩｎＡｓよりなる量子ドット８０は、例えば４５０℃の基板温度にて、総供給量が例えば２ＭＬ相当のＩｎＡｓを、例えば０．１ＭＬ／ｓの速度で供給して、ストランスキー−クラスタノフ結晶成長モードにより成長する。本実施形態では、量子ドット８０を成長する下地の基板として傾斜基板７４を用いているため、方向によって寸法の異なる量子ドット８０が成長する。なお、量子ドット８０は、Ａｓ源としてＡｓ４分子線を用いたＭＢＥ法によって成長することにより、方向によって寸法が異なるようにしてもよい。
【０１４８】
次いで、量子ドット層８２上に、例えばＭＢＥ法により、複数の量子ドット８０を埋め込むように、ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．３Ａｓ層よりなる中間層８４を成長する（図１６（ｄ））。中間層８４の膜厚は、例えば１０ｎｍとする。
【０１４９】
次いで、中間層８４上に、上記の手順と同様にして、多重量子井戸層７８と量子ドット層８２と中間層８４とを、所望の回数、例えば３回繰り返して成長する。更に、最上層の中間層８４上に、上記手順と同様にして、多重量子井戸層７８を成長する。こうして、下部電極層７６上に、多重量子井戸層７８と量子ドット層８２と中間層８４とが例えば４回繰り返して積層されてなる積層体と、この積層体上に形成された多重量子井戸層７８とを有する発光層８６を形成する（図１７（ａ））。
【０１５０】
発光層８６を形成した後、基板温度を、この後の上部電極層８８の成長に適した例えば６００℃に昇温する。
【０１５１】
次いで、発光層８８上に、例えばＭＢＥ法により、例えば６００℃の基板温度で、ｎ型ＧａＡｓ層よりなる上部電極層８８を成長する（図１７（ｂ））。上部電極層８８の膜厚は、例えば１０００ｎｍとする。また、上部電極層８８へのドーピングは、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば２×１０１８ｃｍ−３とする。
【０１５２】
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上部電極層８８及び発光層８６を除去し、下部電極層７６の表面を露出する（図１８（ａ））。
【０１５３】
次いで、例えば金属蒸着法により、露出した下部電極層７６上及び上部電極層８８上に、それぞれＡｕＧｅ／Ａｕ層よりなる電極９０、９２を形成し、本実施形態による発光素子を完成する（図１８（ｂ））。
【０１５４】
このように、本実施形態によれば、方向によって寸法が異なる量子ドット８０よりなる量子ドット層８２を積層して発光層８６を構成するので、波長によって偏光方向の異なる多波長の光を発光することができる。したがって、本実施形態によれば、簡単な構成で、偏光方向の異なる多波長の光を発光する偏光光源を構成することができる。
【０１５５】
［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。
【０１５６】
例えば、上記実施形態では、Ａｓ源としてＡｓ４分子線を用いたＭＢＥ法、量子ドットを成長する下地の基板として傾斜基板７２、７４を用いる方法により、方向によって寸法の異なる量子ドット３０、８０を成長する場合について説明したが、方向によって寸法の異なる量子ドットを成長する方法はこれらに限定されるものではない。例えば、量子ドットの成長速度の面方位依存性を利用したり、量子ドット材料と量子ドットが成長する下地材料との結晶格子定数の差が方向によって異なるように量子ドット材料及び下地材料を適宜選択したりすることにより、方向によって寸法の異なる量子ドットを成長してもよい。
【０１５７】
また、上記実施形態では、量子ドット３０、８０の成長にＭＢＥ法を用いる場合について説明したが、量子ドットの成長には、例えば有機金属気相成長法等の他の結晶成長法を用いることもできる。
【０１５８】
また、上記実施形態では、量子ドット３０、８０をストランスキー−クラスタノフ結晶成長モードにより成長する場合について説明したが、量子ドットの形成方法は、この結晶成長モードによるものに限定されるものではない。量子ドットの形成方法としては、方向によって寸法の異なる量子ドットを形成することができる他のあらゆる方法を用いることができる。
【０１５９】
また、上記実施形態では、量子ドット層３２、８２を４層積層する場合を例に説明したが、量子ドット層の層数はこれに限定されるものではない。量子ドット層は単層であってもよいし、所望の層数の量子ドット層を積層してもよい。
【０１６０】
また、上記実施形態では、ＩｎＧａＡｓよりなる量子ドット３０とＧａＡｓよりなる中間層３４との組み合わせを用いて構成した赤外線吸収層３６を示し、ＩｎＡｓよりなる量子ドット８０とＡｌＧａＡｓよりなる中間層８４との組合せを用いて構成した発光層８６を示したが、量子ドットの材料と中間層の材料との組み合わせは、上記実施形態に示したものに限定されるものではなく、種々の材料の組合せを用いることができる。
【０１６１】
また、上記実施形態では、受光素子２２に赤外線源から赤外線が基板面に垂直に入射する場合について説明したが、赤外線の入射方向はこれに限定されるものではない。本発明による受光素子では、量子ドットが、赤外線の進行方向に垂直な平面内の方向によって寸法が異なっていればよい。
【０１６２】
また、上記実施形態では、向きが制御される偏光子４６、偏光子５４及び液晶フィルタ５６の組合せ、並びに偏光ビームスプリッタ６２及びシャッタ６６ａ、６６ｂの組合せにより、偏光方向を制御しつつ直線偏光の赤外線を受光素子２２に入射する場合について説明したが、偏光方向を制御するための構成はこれらに限定されるものではない。
【０１６３】
また、上記実施形態では、受光素子２２に入射する赤外線の偏光方向を制御することにより、波長ごとに独立して赤外線強度を測定する赤外線検知器について説明したが、本発明によれば、赤外線源からの赤外線のうち特定の偏光方向の赤外線を抽出する赤外線検知器を構成することもできる。この場合、物体が放出する幅広いスペクトルを有する赤外線について、偏光方向に応じて赤外線に対する感度を有する波長が異なる本発明による赤外線吸収層を用いて、その感度を有する特定の波長の赤外線強度を測定する。これにより、赤外線強度を測定した波長に対応する偏光方向の赤外線を、物体が放出する赤外線から抽出することができる。
【０１６４】
また、上記実施形態では、多波長の赤外線を検知する赤外線検知器を構成する場合について説明したが、本発明の適用範囲は、赤外線を検知する場合に限定されるものではなくあらゆる波長域における多波長の光を検知する場合に適用することができる。
【０１６５】
また、上記実施形態では、基板面に平行な平面内の方向によって寸法が異なる量子ドット８０を用いて発光層８６を構成する場合について説明したが、量子ドットは、基板面に平行な平面内のほか、所定の平面内の方向によって寸法が異なっていればよい。本発明による発光素子において、発光層を構成する量子ドットは、放出される波長によって偏光方向の異なる多波長の光の進行方向に垂直な平面内の方向によって寸法が異なっている。
【０１６６】
また、上記実施形態では、方向によって寸法の異なる量子ドットを用いて、入射光の偏光方向に応じて異なる波長の光を光電変換して電気信号を発生する光吸収層３６を構成する場合について説明したが、かかる光吸収層は、量子ドットを用いて構成したものに限定されるものではない。
【０１６７】
また、上記実施形態では、方向によって寸法の異なる量子ドットを用いて、電気信号を光電変換することにより、波長によって偏光方向の異なる多波長の光を発光する発光層８６を構成する場合について説明したが、かかる発光層は、量子ドットを用いて構成したものに限定されるものではない。
【０１６８】
以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０１６９】
（付記１）  方向によって寸法が異なる量子ドットを有し、入射光が入射され、前記入射光の偏光方向に応じて異なる波長の光を光電変換して電気信号を発生する活性部を有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７０】
（付記２）  付記１記載の光半導体装置において、
前記入射光の偏光方向を制御する偏光制御部と、
前記偏光制御部による前記偏光方向の制御と同期して、前記活性部が発生した前記電気信号を読み出す読出部とを更に有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７１】
（付記３）  付記２記載の光半導体装置において、
前記偏光制御部は、前記入射光を直線偏光に変換する偏光子を有し、前記偏光子の向きを制御することにより、前記直線偏光の偏光方向を制御する
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７２】
（付記４）  付記２記載の光半導体装置において、
前記偏光制御部は、前記入射光を直線偏光に変換する偏光子と、前記直線偏光の偏光方向を切り替える液晶フィルタとを有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７３】
（付記５）  付記２記載の光半導体装置において、
前記偏向制御部は、前記入射光を、互いに直交する第１の直線偏光成分と第２の直線偏光成分とに分離する偏光分離部と、前記第１の直線偏光成分及び前記第２の直線偏光成分のいずれか一方を選択的に前記活性部に入射するシャッタ部とを有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７４】
（付記６）  付記１乃至５のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記入射光は、赤外線である
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７５】
（付記７）  方向によって寸法が異なる量子ドットを有し、電気信号が入力され、前記電気信号を光電変換することにより、波長によって偏光方向の異なる多波長の光を発光する活性部を有する
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７６】
（付記８）  付記１乃至７のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記量子ドットは、Ａｓ源としてＡｓ４分子線を用いた分子線エピタキシー法により成長したものである
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７７】
（付記９）  付記１乃至７のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記量子ドットは、傾斜基板上に成長したものである
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７８】
（付記１０）  付記１乃至９のいずれかに記載の光半導体装置において、
前記量子ドットは、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｓよりなる
ことを特徴とする光半導体装置。
【０１７９】
（付記１１）  付記１乃至１０のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記活性部は、複数の前記量子ドットが中間層を介して積層されてなる
ことを特徴とする光半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【０１８０】
【図１】本発明の原理を説明する概略図である。
【図２】入射光の偏光方向に応じて感度を有する波長が異なる本発明による光吸収層の吸収スペクトルを示すグラフである。
【図３】本発明による量子ドットの成長の様子を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態による光半導体装置における受光素子の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。
【図６】本発明の第１実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図７】本発明の第１実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図８】本発明の第１実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図９】本発明の第１実施形態の変形例による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による光半導体装置の全体構成を示す概略図である。
【図１２】本発明の第４実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１３】本発明の第４実施形態による受光素子の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１４】本発明の第５実施形態による発光素子の構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５実施形態による発光素子の発光原理を説明する図である。
【図１６】本発明の第５実施形態による発光素子の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１７】本発明の第５実施形態による発光素子の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１８】本発明の第５実施形態による発光素子の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図１９】提案されている多波長型赤外線検知器の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１８１】
１０…半導体基板
１２…量子ドット
１４…傾斜基板
１６…ステップ
１８…量子ドット材料
２０…量子ドット
２２…受光素子
２４…半導体基板
２６…下部電極層
２８…中間層
３０…量子ドット
３２…量子ドット層
３４…中間層
３６…赤外線吸収層
３８…上部電極層
４０…電極
４２…電極
４４…読出回路
４６…偏光子
４８…制御部
５０…同期信号生成部
５２…波長フィルタ
５４…偏光子
５６…液晶フィルタ
５８…制御部
６０…同期信号生成部
６２…偏光ビームスプリッタ
６４…ミラー
６６ａ、６６ｂ…シャッタ
６８ａ、６６ｂ…制御部
７０…同期信号生成部
７２…傾斜基板
７４…傾斜基板
７６…下部電極層
７８…多重量子井戸層
８０…量子ドット
８２…量子ドット層
８４…中間層
８６…発光層
８８…上部電極層
９０…電極
９２…電極
９４…サブバンド
９６…キャリア
１００…基板
１０２…第１の電極層
１０４…第１の赤外線吸収層
１０６…第２の電極層
１０８…第２の赤外線吸収層
１１０…第３の電極層
１１２…電極
１１４…共通電極
１１６…電極
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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