(57)【要約】【課題】量子ドット赤外線検知器に関し、電流ブロック層を成す結晶の成長が容易であること、及び、同じく暗電流に対する電位障壁高さが高いことを両立させ、特性良好な量子ドット型赤外線検知器を実現しようとする。【解決手段】ＧａＡｓからなる埋め込み層１の上に形成され且つＧａＡｓに比較して禁制帯幅が小さいＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層２と、電流捕獲層２の上に形成された量子ドット５と、量子ドット５が形成された面内に於ける量子ドット５が存在しない領域に形成され且つ少なくともＧａＡｓに比較して禁制帯幅が大きいＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３とを備えること、及び、量子ドット５を作製するには、ストランスキー・クラスタノフ成長モードに依ることが基本になっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線吸収に量子ドットにおけるサブバンド間吸収を用いる量子ドット型赤外線検知器において、
第１の半導体からなる埋め込み層の上に形成され且つ第１の半導体に比較して禁制帯幅が小さい第２の半導体からなる電流捕獲層と、
該電流捕獲層の上に形成された量子ドットと、
該量子ドットが形成された面内に於ける該量子ドットが存在しない領域に形成され且つ少なくとも第１の半導体に比較して禁制帯幅が大きい第３の半導体からなる電流ブロック層と
を備えてな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】
赤外線吸収に量子ドットにおけるサブバンド間吸収を用いる量子ドット型赤外線検知器において、
第１の半導体からなる埋め込み層の上に形成された量子ドットと、
該量子ドットが形成された面内に於ける該量子ドットが存在しない領域に形成され且つ少なくとも第１の半導体に比較して禁制帯幅が大きい第２の半導体からなる電流ブロック層と、                                                                            該電流ブロック層の上に積層形成され第１の半導体に比較して禁制帯幅が小さい第３の半導体からなる電流捕獲層と
を備えてなることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項３】
赤外線吸収に量子ドットにおけるサブバンド間吸収を用いる量子ドット型赤外線検知器において、
第１の半導体からなる埋め込み層の上に形成され且つ第１の半導体に比較して禁制帯幅が小さな第２の半導体からなる第１の電流捕獲層と、
該第１の電流捕獲層上に形成された量子ドットと、
該量子ドットが形成された面内に於ける該量子ドットが存在しない領域に形成され且つ少なくとも第１の半導体に比較して禁制帯幅が大きい第３の半導体からなる電流ブロック層と
該電流ブロック層の上に積層形成され該埋め込み層に比較して禁制帯幅が小さい第４の半導体からなる第２の電流捕獲層と
を備えてなることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項４】
第１の半導体がＧａＡｓ、第２の半導体がＩｎＧａＡｓ、第３の半導体がＡｌＧａＡｓであること
を特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか１記載の量子ドット型赤外線検知器に含まれる量子ドットがストランスキー・クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードに依って形成されたものであること                                              を特徴とする請求項１乃至３の何れか１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（量子箱）を光吸収層として用いる量子ドット型赤外線検知器に於ける信号雑音特性の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット赤外線検知器は、量子ドットを赤外線感知部分として利用する赤外線検知器であって、同様に量子井戸を赤外線感知部分として利用する赤外線検知器に比較し、素子面に垂直に入射する赤外光に対して感度をもつこと、また、光励起されたキャリアが再び量子ドットに捕獲される確率が少ないことに依って高い光電流利得が得られるなどの利点をもっている。
【０００３】
然しながら、量子ドット赤外線検知器では、半導体層内に３次元方向から埋め込まれた量子ドットを光吸収の活性部分として用いる為、当然のことながら、素子電流の経路に対しては、量子ドットがある部分とない部分が存在することになる。
【０００４】
量子ドットがない部分を流れる電流は、量子ドットに捕獲されることはないので、光吸収に資することもなく、素子内を単に流れるだけの暗電流成分となってしまう。
【０００５】
このため、従来、「電流ブロック構造」と呼ばれていて、主として量子ドットを埋め込んでいるＧａＡｓよりも禁制帯幅が大きいＡｌＧａＡｓを量子ドット間に配置して、量子ドット間の隙間を流れる電流を抑止しようとする技術が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１などを参照。）。
【０００６】
これは、量子ドット間を流れる電流に対して電位障壁を挿入することによって、この電流を抑制しようとするものであり、電位障壁は近接する材料間の禁制帯幅の差に比例するとされ、それが高いほど前記暗電流成分の抑制効果は大きい。
【０００７】
この場合、電流ブロック層であるＡｌＧａＡｓ層に於けるＡｌ組成が高ければ高いほど電位障壁は高くなり、従って、暗電流成分の抑制効果も大きくなることを意味している。
【０００８】
然しながら、結晶成長技術の観点からすれば、量子ドット層として通常用いられるＩｎＡｓ或いはＩｎＧａＡｓに於いては、基板温度が概ね５２０℃程度以上の温度ではＩｎの再蒸発が顕著になり、その結果、量子ドット構造が破壊されてしまうのに対し、ＡｌＧａＡｓ層、特に、Ａｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層に於いては、基板温度が概ね６００℃前後、或いは、それ以上の温度が適しているため、量子ドット層の作製が可能な温度領域で実現可能なＡｌＧａＡｓ層に於けるＡｌ組成、従って、暗電流に対する電位障壁高さは制限を受けることとなる。
【特許文献１】特開２００２−１８４９７０号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（７８）１０２３（２００１年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明では、電流ブロック層を成す結晶の成長が容易であること、及び、同じく暗電流に対する電位障壁高さが高いことを両立させ、特性良好な量子ドット型赤外線検知器を実現しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、量子ドット型赤外線検知器の暗電流の抑制に必要であるのは、電流ブロック層を構成するＡｌＧａＡｓ層に於けるＡｌ組成を高くすることではなく、暗電流に対する電位障壁高さを高くすることがその本質であることに想到した。
【００１１】
電流ブロック構造に於いて、量子ドット構造が形成可能な温度で比較的結晶性よく形成することができるＡｌ組成をもつＡｌＧａＡｓ層と、それに接する量子ドット埋め込み層の一部分に当該量子ドット埋め込み層に比較して禁制帯幅が小さい材料を用いることで、結晶成長温度と必要な電位障壁高さの両立が可能となる。
【００１２】
そこで、本発明の量子ドット赤外線検知器に於いては、赤外線吸収に量子ドットにおけるサブバンド間吸収を用いる量子ドット型赤外線検知器において、第１の半導体からなる埋め込み層の上に形成され且つ第１の半導体に比較して禁制帯幅が小さい第２の半導体からなる電流捕獲層と、該電流捕獲層の上に形成された量子ドットと、該量子ドットが形成された面内に於ける該量子ドットが存在しない領域に形成され且つ少なくとも第１の半導体に比較して禁制帯幅が大きい第３の半導体からなる電流ブロック層とを備えること、また、前記量子ドットを作製するには、ストランスキー・クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードに依ることが基本になっている。
【発明の効果】
【００１３】
前記手段を採ることに依り、量子ドット構造は良好に維持され、且つ、暗電流を有効に抑止できる構造をもつ量子ドット型赤外線検知器が実現されるので、その信号雑音特性は改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明に依る量子ドット型赤外線検知器の原理を説明する為の素子を表す要部切断側面図、図２は図１に表された素子を線Ｙ１−Ｙ２で切断した面から見たエネルギーバンドダイヤグラムをそれぞれ示している。
【００１５】
図に於いて、１はＧａＡｓからなる第１の埋め込み層、２はＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層、３はＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層、４はＧａＡｓからなる第２の埋め込み層、５はＩｎＡｓからなる量子ドット、Ｂ１は本発明の量子ドット型赤外線検知器に於ける障壁高さ、Ｂ２は従来の量子ドット型赤外線検知器に於ける障壁高さをそれぞれ示している。
【００１６】
本発明に依る量子ドット型赤外線検知器では、図１及び図２に見られるように、量子ドット５の側面はエネルギーバンド幅が大きな材料である例えばＡｌＧａＡｓからなるブロック層３で囲まれ、そして、量子ドット５の下側か上側、或いは、その両方に第１の埋め込み層１或いは第２の埋め込み層４を構成する例えばＧａＡｓに比較して小さい禁制帯幅をもつ材料である例えばＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層２を配置してある。尚、図１の構成では電流捕獲層２は量子ドット５の下側にのみ配設してある。
【００１７】
従来は、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３のみであった為、障壁高さは記号Ｂ２で示してあるように十分ではなかったのであるが、図示の本発明に依る構成に於いては、ＧａＡｓからなる第１の埋め込み層１と電流ブロック層３との間にエネルギーバンドギャップが狭いＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層２が介在しているので、量子ドット５間を流れる暗電流成分は電流捕獲層２に捕獲されてしまい、そこから抜け出して流れる為には、ＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層２の伝導帯端からＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３の伝導帯端までの電位差、即ち、障壁高さＢ１を乗り越える必要があり、従って、高い暗電流抑制効果が実現される。
【００１８】
図３乃至図７は図１及び図２について説明した本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【００１９】
図３参照
（１）
量子ドット型赤外線検知器を作製する場合に多用されているＧａＡｓ基板１１を用意する。
【００２０】
図４参照
（２）
分子線エピタキシャル成長法を適用することに依り、ＧａＡｓ基板１１上に厚さ１００ｎｍのＧａＡｓ緩衝層１２、厚さ５００ｎｍのＧａＡｓ下部電極コンタクト層１３を成長させる。尚、ＧａＡｓ下部電極コンタクト層１３には、不純物として例えばＳｉを用い、濃度を例えば１×１０18ｃｍ-3としてドーピングを行う。
【００２１】
図５参照
（３）
引き続き分子線エピタキシャル成長法を適用することに依り、ＧａＡｓ下部電極コンタクト層１３上に厚さが４９ｎｍのＧａＡｓからなる量子ドット形成の下地層１４と厚さが１０ｎｍでＩｎ組成が１５％であるＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層１５を成長させる。尚、下地層１４及び電流捕獲層１５の層厚やＩｎ組成は量子ドット赤外線検知器に必要とされる特性の如何に依って選択される。
【００２２】
図６参照
（４）
ここで、ストランスキー・クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードに依って受光活性部分である量子ドットを作製するのであるが、それには、ＩｎＡｓを材料とし、例えば、基板温度を５００℃とし、供給速度０．１分子層毎秒、総供給量２．３分子層相当を供給して量子ドット１６を形成する。
【００２３】
このようにして形成されたＩｎＡｓ量子ドット１６の形状は、同じ成長条件の試料で評価したところでは、高さ５ｎｍ、横３０ｎｍの形状であった。
【００２４】
（５）
前記のようにして所望の量子ドット構造を作製した後、例えば基板温度を５００℃としてＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層１７を成長する。このときのＡｌＧａＡｓの層厚及び組成は、目的とする量子ドット赤外線検知器に於ける特性の如何によって異なるが、例えば厚さ５ｎｍ、Ａｌ組成５％とする。
【００２５】
（６）
同じく分子線エピタキシャル成長法を適用することに依り、厚さ５０ｎｍのＧａＡｓからなる埋め込み層１８を成膜して量子ドット１６の埋め込みを行う。
【００２６】
図７参照
（７）
この後、必要に応じて電流捕獲層１５、ＩｎＡｓ量子ドット１６、ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１７、ＧａＡｓ埋め込み層１８の成長を繰り返し、例えば１０回繰り返した後、最後にＧａＡｓからなる上部電極層１９を形成して結晶成長を終了する。
【００２７】
この場合、上部電極層１９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。
【００２８】
この後、周知の半導体プロセス技術を用いて所要の電極などを形成し、本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を完成する。
【００２９】
前記実施の形態では、各半導体層の成膜に分子線エピタキシー法を適用するプロセスについて説明したが、量子ドットの形成が可能であれば、他の結晶成長方法、例えば、有機金属気相成長法を適用しても良い。
【００３０】
また、前記実施の形態では、量子ドット群と電流ブロック層とからなる量子ドット層の下側、即ち、基板側にのみＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層を配設したが、検知器の動作条件の如何によって、量子ドット層の上側にのみ、或いは、上下両側に配設しても良い。
【００３１】
更にまた、前記実施の形態では、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層の厚さ（高さ）をＩｎＡｓ量子ドットの高さと同じにしたが、暗電流抑制効果が得られる厚さ、且つ、目的とする量子ドット赤外線検知器の特性の如何によって適宜増減させて良い。
【００３２】
更にまた、前記実施の形態では、基板並びに量子ドット埋め込み層としてＧａＡｓを、電流ブロック層としてＡｌＧａＡｓを、電流捕獲層としてＩｎＧａＡｓをそれぞれ組み合わせた構成について説明したが、暗電流の抑制効果を期待できる組み合わせであれば、他の材料の組み合わせであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に依る量子ドット型赤外線検知器の原理を説明する為の素子を表す要部切断側面図である。
【図２】図２は図１に表された素子を線Ｙ１−Ｙ２で切断した面から見たエネルギーバンドダイヤグラムをそれぞれ示している。
【図３】図１及び図２について説明した本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。
【図４】図１及び図２について説明した本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。
【図５】図１及び図２について説明した本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。
【図６】図１及び図２について説明した本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。
【図７】図１及び図２について説明した本発明に依る量子ドット型赤外線検知器を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ＧａＡｓからなる第１の埋め込み層
２  ＩｎＧａＡｓからなる電流捕獲層
３  ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層
４  ＧａＡｓからなる第２の埋め込み層
５  ＩｎＡｓからなる量子ドット
Ｂ１  本発明の量子ドット型赤外線検知器に於ける障壁高さ
Ｂ２  従来の量子ドット型赤外線検知器に於ける障壁高さ
【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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