(57)【要約】【課題】表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供する。【解決手段】多層に積層された量子ドット２４のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層２００と、光吸収層２００を挟むように設けられた下部電極２７及び上部電極２８を有する。上部電極２８には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔２９が形成されている。【選択図】図２
2012083238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層に積層された量子ドットのサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】
前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期ａで形成されており、前記光吸収層の屈折率をｎとしたとき、波長ｎ×ａ付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期ａで形成されており、前記光吸収層の屈折率をｎとしたとき、ｎ×ａの１／√２倍、１／２倍又は１／√５倍の波長付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項４】
前記上部電極に前記周期的な孔が形成されていることによって生じる前記表面プラズモンの侵入長をＬｐとするとき、前記光吸収層の厚さはＬｐの２倍程度かそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項５】
前記下部電極は、基板上に形成された下部コンタクト層上に設けられ、
前記上部電極は、前記光吸収層上に形成された上部コンタクト層上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項６】
多層に積層された量子井戸のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項７】
前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期ａで形成されており、前記光吸収層の屈折率をｎとしたとき、波長ｎ×ａ付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出装置。
【請求項８】
前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期ａで形成されており、前記光吸収層の屈折率をｎとしたとき、ｎ×ａの１／√２倍、１／２倍又は１／√５倍の波長付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出装置。
【請求項９】
前記上部電極に前記周期的な孔が形成されていることによって生じる前記表面プラズモンの侵入長をＬｐとするとき、前記光吸収層の厚さはＬｐの２倍程度かそれ以下であることを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出装置。
【請求項１０】
前記下部電極は、基板上に形成された下部コンタクト層上に設けられ、
前記上部電極は、前記光吸収層上に形成された上部コンタクト層上に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検出するための赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱検出をはじめとして、赤外線領域の光検出技術に対する需要は高まっている。従来、広く用いられてきた赤外光検出半導体素子として、水銀・カドミウム・テルル（MCT）、量子井戸（QW）のサブバンド間遷移を利用したもの、量子ドット（QD）のサブバンド間遷移を利用したものが挙げられる。
【０００３】
ＭＣＴ系材料では、赤外線光を吸収し、価電子帯の電子が伝導体に励起されることにより生じる電流、またはそれを電圧に変換して検出をしている。半導体のバンドギャップより大きいエネルギーを持つ光は吸収されるため、原理的には広帯域な感度領域を有する検出器である。
【０００４】
しかし、ＭＣＴ系材料は、結晶成長やそのプロセスが非常に困難な材料系であり、検出器が非常に高価になるという問題がある。また、大面積化が困難なため、大面積の２次元赤外線検出器アレイの作製が非常に難しいという問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決する手段として登場したのが、量子井戸や量子ドットなど量子構造の電子または正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものである。
【０００６】
量子閉じ込め構造により、電子又は電子エネルギーは離散的になる。離散準位間のエネルギー差が検出されるべき赤外線のエネルギーに一致すると、光吸収によって電子又は正孔が基底準位から励起準位に励起され、それに起因する電流を検出するものである。
【０００７】
量子閉じ込め構造のバルク材料であるＭＣＴ系材料に対する優位性は、熱雑音が低いことである。これは、キャリアの運動方向の自由度が、バルク材料では３次元であるのに対して、量子閉じ込め構造では２次元または０次元であるためである。
【０００８】
従って、量子閉じ込め構造では、ＭＣＴのようなバルク材料と比較して、信号対雑音比における雑音の低減が実現され、より高い検出感度が期待される。
【０００９】
これに関連する技術として、例えば、特開平１０−３２６９０６号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、量子井戸や量子ドットなど量子構造を利用した光検出素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−３２６９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、量子井戸の場合、光検出面に垂直入射する光、つまり積層方向に垂直な電場成分をもつ入射光に対するサブバンド間遷移吸収効率は非常に低い。
【００１２】
一方、量子ドットの場合は、量子井戸のような垂直入射に対する低い光吸収効率の問題はない。しかし、光吸収効率は、量子ドットの積層方向に平行な電場成分に対しての方が、積層方向に垂直な電場成分に対してよりも、典型的には数倍程度大きい。
【００１３】
従って、量子構造の積層方向に垂直な電場成分のみを持つ入射光を、積層方向に平行な電場成分に効率よく変換する機構が望まれる。
【００１４】
本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決するための技術を提供することにあり、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る赤外線検出装置は、
多層に積層された量子ドットのサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る他の赤外線検出装置は、
多層に積層された量子井戸のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】サブバンド間遷移による赤外線吸収の原理を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面及び上面図である。
【図３】本発明による赤外線検出装置の感度スペクトルの説明図である。
【図４】表面プラズモンによる電場増強スペクトルの計算例を示す図である。
【図５】表面プラズモンの電場強度分布の概念図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面及び上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（本発明の原理）
最初に、図１を参照して、本願発明の前提となるサブバンド間遷移による赤外線吸収の原理を説明する。これは、量子井戸や量子ドットなど量子構造の電子または正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものである。量子閉じ込め構造により、電子又は電子エネルギーは離散的になる。図１は電子に対するバンド構造を示している。
【００２０】
図１に示すように、障壁層１１と障壁層１３の間に、量子ドット又は量子井戸層１２が形成されている。このような構成の下、離散準位間のエネルギー差が検出されるべき赤外線のエネルギーに一致すると、光吸収によって電子１６が電子基底準位１４から電子励起準位１５に励起され、それに起因する電流を検出する。
【００２１】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
まず、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る赤外線検出装置の構成について説明する。ここで、図２は、本発明の第１の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面図及び上面図を示す。
【００２３】
まず、断面図を参照すると、半絶縁基板２０上に、半絶縁基板２０と同じ材料から構成されるｉ型緩衝層２１、ｎ型下部コンタクト層２２及びｉ型障壁層２３が形成されている。下部電極２７はｎ型下部コンタクト層２２の一部に接触して形成されている。
【００２４】
そして、ｉ型障壁層２３の上に、赤外線を吸収する量子ドット２４と、ｉ型障壁層２５が交互に形成されている。多数の量子ドット２４で吸収効率をかせぐため、典型的には量子ドット２４は１０層程度積層される。この多層に積層された量子ドット２４とｉ型障壁層２５により光吸収層２００が構成される。この光吸収層２００は、多層に積層された量子ドット２４のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する。
【００２５】
光吸収層２００の上には、ｎ型上部コンタクト層２６が形成されている。そして、ｎ型上部コンタクト層２６の上に上部電極２８が形成されている。
【００２６】
このような構成の下、上部電極２８と下部電極２７の間を流れる光電流を検出する。
【００２７】
上面図を参照すると、上部電極２８には正方格子状に円孔２９があいている。円孔２９に垂直に入射する、つまり＋ｚ方向に伝搬する赤外線を検出するものとする。円孔２９の周期はｘおよびｙ方向ともにａ、孔半径はｒである。
【００２８】
ここでは、孔が周期的にあいていることが本質であって、孔の形状や三角格子などの周期性が本質ではない。
【００２９】
このように、上部電極２８には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔（例えば、円孔２９）が形成されている。
【００３０】
（本発明の動作原理）
次に、図３〜図５を参照して、本発明の動作原理について説明する。
【００３１】
図２に示す赤外線検出装置の構造に対して、ｘまたはｙ方向の電場成分を有する光が＋ｚ方向に伝搬すると、周期ａに応じて表面プラズモンが誘起される。表面プラズモンは、金属の周期構造を反映して、共鳴スペクトルを有する。その共鳴波長は数１で与えられる。
【００３２】
【数１】
2012083238.tif 000003
【００３３】
ここで、ｊ、ｋは回折の次数を表す指数であり、各々０以上の整数である。ただし、両方同時に０とはならない。εｍおよびεｄはそれぞれ金属および誘電体（ここではＧａＡｓ）の誘電率を表しており、各々実部と虚部とを持つ。例えば、εｍ＝εｍ’＋ｉεｍ”、εｄ＝εｄ’＋ｉεｄ”と表す。
【００３４】
金属が完全導体、つまり実部が小さく虚部が非常に大きい、という近似が成り立ち、かつＧａＡｓの誘電率の虚部があまり大きくない、と仮定した場合、数１はおおよそ数２で近似できる。
【００３５】
【数２】
2012083238.tif 000004
【００３６】
ここで、ｎｄは半導体ＧａＡｓの屈折率の実部であり、ほぼ√（εｄ’）に相当する。これを満たすλは、回折次数の低い方から、ａ×ｎｄの１倍、１／√２倍、１／２倍、１／√５倍…となる。
【００３７】
回折次数が高くなると回折効率が低下するのが一般的であるので、次数の低いものを利用することが望ましい。
【００３８】
このような共鳴波長付近での、ｚ方向電場の空間依存性を、概念的に示したものが図５である。なお、表面プラズモンは、金属と誘電体の界面に対し両方向に発生するが、金属側は表示していない。ここで、５０は、入射赤外線を示す。
【００３９】
共鳴波長付近での、赤外線検出器の感度スペクトルの様子を図３に概念的に示す。
【００４０】
（ａ）には、量子ドットのみで決まる感度スペクトルを示している。この中心波長は、量子ドットの大きさ・高さ、材料組成などによって選択できる。なお、感度の波長広がりは、多数の量子ドットエネルギー準位のばらつき、すなわち不均一広がりに相当する。
【００４１】
（ｂ）は金属周期構造による表面プラズモンにより誘起された、電場のｚ成分のスペクトルを示している。光検出器全体の感度は、（ａ）と（ｂ）の掛け算になるため、適切な設計によって両者の波長を一致させれば、最終的には（ｃ）のような狭い帯域で、高感度が実現される。
【００４２】
狭帯域化の効用について、一言述べておく。赤外線検出の場合、検出したい波長の信号と共に、黒体輻射による広帯域な赤外線が雑音要因となることがある。狭帯域化で、このような広帯域な雑音成分の検出効率が低下することにより、結果として信号対雑音比が向上することにつながる。
【００４３】
（表面プラズモンによる増大効果の計算）
続いて、表面プラズモンによる電場が増強効果の、数値計算を行った。１０μｍ帯での光検出を想定し、ＧａＡｓで構成される光吸収層の屈折率を３．２と仮定する。
【００４４】
式２から、金属にあける孔の周期はａ＝３．１μｍ（＝１０／３．２）とした。また、円孔の半径ｒ＝ａ×０．３＝０．９３μｍに設定した。また、金属電極の厚さは９０ｎｍである。
【００４５】
有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法を用いて、白色光が入射した場合の、電極から＋ｚ方向１００ｎｍ付近での電場のｚ成分を計算した結果を、図４に示す。
【００４６】
この計算において、電極に利用する金（Ａｕ）の屈折率は、ドルーデモデルを仮定して、その分散関係から導出した値を用いた。
【００４７】
図４をみると、波長１０．４μｍ付近で、電場のｚ成分が強くなっていることが分かる。このスペクトルの半値全幅は０．２μｍ程度である。従って、図３を参照すると、狭い帯域で、高検出感度をもつ検出装置が出来ることになる。
【００４８】
式２による設計が１０μｍに対して、ＦＤＴＤ計算では１０．４μｍ程度となっているのは、誘電体（ＧａＡｓ）の屈折率の虚部や、金属（Ａｕ）が完全導体、つまり誘電率が純虚数で、その絶対値がかなり大きいという近似計算で無視した効果によるものであると考えられる。
【００４９】
この時、電場のｚ成分がその最大値から１／ｅとなる長さＬｐ、つまりプラズモンの侵入長は０．８μｍ程度であった。光吸収層の厚さは、Ｌｐの２倍程度以下であれば充分である。これ以上、光吸収層を厚くしても、電場増強が期待したほどは見込まれない。
【００５０】
この計算はほんの一例であり、所望の波長で動作させたい場合には、周期ａを上記の方法に従って適切に選べばよい。
【００５１】
このように、本発明の第１の実施の形態によれば、光吸収層として、量子ドットのサブバンド間遷移を利用する赤外線検出装置であって、光電流を検出するための電極に周期的な構造を付加することで、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供することができる。このように、本発明の第１の実施の形態では、量子ドット内のサブバンド間遷移を、表面プラズモンによって増強する。
【００５２】
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る赤外線検出装置の製造方法について説明する。
【００５３】
（１）量子ドットを含む結晶成長
半絶縁基板２０として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意する。この基板を分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置内へ導入し、固体Ａｓを加熱し昇華させることにより得られるＡｓ４分子線を照射しながら、基板温度を６００℃まで上昇させ、半絶縁基板２０表面の自然酸化膜を除去する。その後、５８０℃程度の基板温度で、基板と同じＧａＡｓから構成されるｉ型緩衝層２１を３００ｎｍ程度積層する。
【００５４】
引き続いて、厚さが３００ｎｍ程度で、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度のＧａＡｓで構成されるｎ型下部コンタクト層２２と、厚さ７０ｎｍでＧａＡｓのｉ型障壁層２３を順次積層する。
【００５５】
その後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、名目上の厚さが２〜３原子層程度相当分のＩｎＡｓを供給する。
【００５６】
この時、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状に３次元的に成長し、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ)モードと呼ばれる量子ドット２４を形成する。典型的な量子ドットの典型的な大きさは、直径約３０ｎｍ〜５０ｎｍで、高さ約２〜８ｎｍであり、１ｃｍ２当たりの面密度は５×１０１０程度である。
【００５７】
先ほどの名目の厚さが２〜３原子層と表現したのは、基板表面で再蒸発する成分も含めた数値であり、実際の平均的な厚さはこの値よりも小さくなる場合が多い。
【００５８】
続いて、ＩｎＡｓの供給を停止してＧａＡｓを供給することによって、厚さが５０ｎｍ程度のＧａＡｓのｉ型障壁層２５を成長させ、量子ドット２４を埋め込む。
【００５９】
ここで、ｉ型障壁層２５は、量子ドット２４により形成される表面の凹凸形状がほぼ平らになる厚さに設定すればよく、50nm程度以上が目安となる。
【００６０】
量子ドット２４を１０層積層したい場合は、上述の量子ドット２４およびｉ型障壁層２５の積層を交互に１０回繰り返すことにより、所望の構造となる。
【００６１】
続いて、厚さが１００ｎｍ程度で、Ｓｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３程度のＧａＡｓで構成されるｎ型上部コンタクト層２６を堆積させる。
【００６２】
上記製造方法では、ｉ型障壁層としてＧａＡｓを用いたが、ＡｌＧａＡｓを代替として用いても構わない。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、量子ドット赤外線検出器の検出波長を短く（言い換えれば、光のエネルギーを大きく）することが可能となる。
【００６３】
ただし、Ａｌ組成が大きいと、量子ドット２４を構成する原子の一つであるＩｎとのミキシングが起きて結晶特性が劣化する恐れがある。よって、Ａｌ組成比は０．４以下程度にしておくことが望ましい。
【００６４】
また、量子ドット２４やその周辺構造をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではなく、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いても良い。
【００６５】
また、結晶成長用の基板にとしてＧａＡｓを用いているが、これをＩｎＰとしても良く、この場合に、この場合には障壁層としてＩｎＰと格子整合するようなＩｎＧａＡｌＡｓで構成されていても良い。
【００６６】
（２）検出器構造加工および電極プロセス
続いて、リソグラフィー、ドライエッチングを用いてｎ型上部コンタクト層２６からｉ型ＧａＡｓ障壁層２３の一部を選択的にエッチングして、ｎ型下部コンタクト層２２の表面の一部を露出させる。
【００６７】
この選択エッチングにより、分離された構造が検出素子の１つになる。検出器の受光面の大きさは、用途によって異なるが、典型的には４０μｍ程度から２００μｍ程度である。
【００６８】
赤外線検出装置としては、この１素子のみで構成されてもよいし、このような素子を一列に、あるいは平面的に配列させたアレイであってもよい。
【００６９】
次いで、上下コンタクト層にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる電極２７、２８を、リフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含んでいる。
【００７０】
以上の工程により、第１の実施形態に係る赤外線検出装置の光検出器部分の基本構成が完成する。
【００７１】
（第２の実施の形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る赤外線検出装置の構成について説明する。ここで、図６は、本発明の第２の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面図及び上面図を示す。
【００７２】
第２の実施の形態に係る赤外線検出装置が、上記第１の実施の形態（図２参照）と異なる点は、量子ドット２４で構成される光吸収層２００（図２参照）の代わりに、多重量子井戸構造を有する光吸収層６００を用いた点である。光吸収層６００は、多層に積層された量子井戸層６０とｉ型障壁層６１により構成される。この光吸収層６００は、多層に積層された量子井戸層６０のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する。
【００７３】
その他の構成は、図２に示す第１の実施の形態に係る赤外線検出装置の構成とほぼ同じなのでその説明は省略する。
【００７４】
また、その製造方法も、図２に示す第１の実施の形態とほとんど同じである。量子井戸層６０は、例えばＧａＡsを量子井戸層とし、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓをｉ型障壁層６１とすることができる。組成比ｘを適切に選ぶことによって、所望のサブバンド間遷移エネルギーを選択することができる。この場合も、Ａｌ組成比ｘは０．４以下程度にしておくことが望ましい。
【００７５】
その他の製造工程は、図２に示す第１の実施の形態に係る赤外線検出装置の製造工程とほぼ同じなのでその説明は省略する。
【００７６】
量子井戸の量子ドットに対する優位性は、不均一広がりに起因する帯域広がりを抑制出来る点にある。量子ドットの場合、自己形成により形成されるため、大きさのばらつきがある程度ことは避けられず、その結果、帯域幅を狭くすることは難しい。
【００７７】
一方、量子井戸の場合、サブバンド間遷移エネルギーの帯域幅は、量子井戸および障壁層の厚さの揺らぎの大きさで決まる。これは、量子ドットの大きさのばらつきよりも原理的に小さく、結果として、プラズモン増強無しでの帯域幅が、量子ドットと比較して狭くなる。
【００７８】
上述のように、本発明の実施の形態によれば、光吸収層として、量子ドットまたは量子井戸中のサブバンド間遷移を利用する赤外線検出装置であって、光電流を検出するための電極に周期的な構造を付加することで、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供することができる。このように、本発明の実施の形態では、量子井戸または量子ドット内のサブバンド間遷移を利用した吸収過程を、表面プラズモンによって増強する。
【００７９】
以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思考に基づいて、種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、中赤外線及び遠赤外線の短波長側（３〜２０μｍ程度）でのスペクトル解析が必要である気象などの環境計測に用いられる赤外線検出装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１１  障壁層
１２  量子ドット又は量子井戸層
１３  障壁層
１４  電子基底準位
１５  電子励起準位
１６  電子
２０  半絶縁基板
２１  ｉ型緩衝層
２２  ｎ型下部コンタクト層
２３  ｉ型障壁層
２４  量子ドット
２５  ｉ型障壁層
２６  ｎ型上部コンタクト層
２７  下部電極
２８  上部電極
２９  円孔
５０  入射赤外線
６０  量子井戸層
６１  ｉ型障壁層
２００  光吸収層
６００  光吸収層
【図１】
2012083238.tif 000005
【図２】
2012083238.tif 000006
【図３】
2012083238.tif 000007
【図４】
2012083238.tif 000008
【図５】
2012083238.tif 000009
【図６】
2012083238.tif 000010