(57)【要約】【課題】  暗電流が補償でき、かつ、安価な量子ドット型光検出装置を提供する。【解決手段】    量子ドット２４ｃを利用した量子ドット型光検出装置１０Ａであって、複数の量子ドット２４ｃを含んで、入射した赤外線を吸収することにより光電流を出力する光検出ユニット２０Ａと、光検出ユニット２０Ａに赤外線が入射するか否かを制御するシャッタ装置１２と、を備えて、光検出ユニット２０Ａに赤外線が入射する場合に出力される第１の電流と、光検出ユニット２０Ａに赤外線が入射しない場合に出力される第２の電流との差分に基づき光電流の検出を行う。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットを利用した量子ドット型光検出装置であって、
複数の前記量子ドットを含んで、入射した赤外線を吸収することにより光電流を出力する光検出ユニットと、
前記光検出ユニットに前記赤外線が入射するか否かを制御するシャッタ装置と、を備えて、
前記光検出ユニットに前記赤外線が入射する場合に出力される第１の電流と、前記光検出ユニットに前記赤外線が入射しない場合に出力される第２の電流との差分である前記光電流の検出を行うことを特徴とする量子ドット型光検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の量子ドット型光検出装置であって、
前記光検出ユニットに、量子井戸層又は障壁層が設けられていることを特徴とする量子ドット型光検出装置。
【請求項３】
量子ドットを利用した量子ドット型光検出装置であって、
複数の前記量子ドットを含んで、入射した赤外線を吸収することにより光電流を出力する光検出ユニットと、
前記光検出ユニットと上下関係をなして形成されて、少なくとも前記量子ドットを含まない対照ユニットと、を備えて、
前記赤外線が前記光検出ユニットと前記対照ユニットとに入射した際に出力される電流の差分に基づき前記光電流の検出を行うことを特徴とする量子ドット型光検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の量子ドット型光検出装置であって、
前記光検出ユニット及び前記対照ユニットに、量子井戸層又は障壁層が設けられていることを特徴とする量子ドット型光検出装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の量子ドット型光検出装置であって、
前記対照ユニットが、前記量子ドットを含んで前記光検出ユニットと同一仕様に形成され、かつ、当該対照ユニットと前記光検出ユニットとの間に、前記光検出ユニットを透過する赤外線が前記対照ユニットに入射しないように当該光検出ユニットに向けて反射させる分布ブラッグ反射鏡を設けたことを特徴とする量子ドット型光検出装置。
【請求項６】
請求項３乃至５のいずれか１項に記載の量子ドット型光検出装置であって、
前記光検出ユニット及び前記対照ユニットが、複数の基本膜を交互に積層して形成された多層膜で、かつ、前記光検出ユニットと前記対照ユニットとの前記多層膜の積層順序が逆順であることを特徴とする量子ドット型光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暗視装置や天体観測装置等において用いて好適な量子ドット型光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長が１０μｍ程度の遠中赤外線の光検出装置は、暗視装置や赤外線天体観測装置等に用いられている。このような光検出装置では、光検出デバイスにＨｇＣｄＴｅの直接遷移型の赤外線検出デバイスが広く使われている。しかし、ＨｇＣｄＴｅの直接遷移型赤外線検出装置においては、大面積基板の均質性や価格に問題があった。
【０００３】
そこで、大面積、高品質なＧａＡｓ系の半導体基板を利用した量子井戸型赤外線検出装置等の赤外線検出装置が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１においては、下部コンタクト層、下部多重量子井戸層、中間コンタクト層、上部多重量子井戸層、上部コンタクト層が順次積層して、多重量子井戸層内での電子のサブバンド間遷移を利用して赤外線の強度を検出する技術が開示されている。このとき、下部多重量子井戸層は上部多重量子井戸層に比べて障壁層のエネルギーバリヤを大きくし、且つ、量子井戸層の不純物濃度が高くなるように設定して、暗電流が削減できるようにしている。なお、この暗電流は、例えば、ドーパントの熱励起キャリア等の赤外線の受光に伴う光電流と無関係に流れる電流である。
【０００５】
量子井戸は、垂直に入射する赤外線に対して感度を持たない。そこで、特許文献２においては、垂直に入射した赤外線を斜め方向に変換する光結合構造を備えた第１画素と、このような光結合構造を備えない第２画素とを設けて、第１画素と第２画素からの電流の差分を検出することにより、光電流のみが検出できるようにした赤外線センサを開示している。
【０００６】
一方、特許文献３及び特許文献４では、量子井戸に代え量子ドットを備えた光検出装置が提案されている。この量子ドットは、赤外線が垂直に入射しても感度を有する特性を利用した技術である。
【０００７】
即ち、量子ドットは、直径がナノメートルサイズの微小構造で、例えば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）。このような量子ドットは、Ｓ−Ｋ量子ドット呼ばれている。
【０００８】
量子ドットは、その組成のバルクの伝導帯や荷電子帯の半導体界面におけるエネルギーギャップで決まる閉じ込めポテンシャルによって、多数の電子や正孔を内部に保持することができる。量子ドットの内部に保持された電子や正孔は、これらのド・ブロイ波長より小さい微小空間に３次元的に閉じ込められているので、離散化したエネルギー準位を持つようになる。
【０００９】
そして、量子ドット層に入射した赤外線は、離散化準位に保持されている電子又は正孔を、量子ドット内の高次のエネルギー準位又は、さらにエネルギーの高い連続準位等に励起する。このとき、量子ドット層に対して結晶成長軸方向に電圧バイアスが印加されていると、励起された光キャリアは低バイアス側電極に引き抜かれて電気信号として検出される（以下、光電流と記載する）。光励起されて空になった量子ドット内の準位には、バイアス電流によってキャリアが供給されて、次の赤外線の吸収に備える。
【００１０】
後述するように、量子ドット型光検出装置は、離散化された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、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。
【００１１】
一般に光検出装置の性能は、信号・雑音比で評価され、特に量子ドット型光検出装置では光電流と暗電流との比によって評価される。従って、検出性能を向上させるために、光電流を増大させるか暗電流を抑制する必要がある。
【００１２】
暗電流を減少させる目的で、特許文献４はバイアス電流経路に別のドットを配置する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−３２３７４２号公報
【特許文献２】特開２０００−３２３６９４号公報
【特許文献３】特開２００７−２４２７６６号公報
【特許文献４】特開２００６−１８６１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した特許文献１にかかる構成では、下部多重量子井戸層と上部多重量子井戸層のエネルギーバリヤやドープ濃度が異なるため、暗電流の補償は近似的なものに過ぎず、その効果は限定的であった。また、特許文献２にかかる構成では、光結合構造を含む第１画素を形成するためのプロセスが別途必要になるのでコストアップの要因となり、またこの第１画素と並設して第２画素を形成するために、チップサイズが大きくなる問題がある。また、特許文献３及び特許文献４にかかる構成では、十分に暗電流を補償できない問題があった。
【００１５】
そこで、本発明の主目的は、十分に暗電流が補償でき、かつ、安価な量子ドット型光検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、複数の量子ドットを含んで、入射した赤外線を吸収することにより光電流を出力する光検出ユニットと、光検出ユニットに赤外線が入射するか否かを制御するシャッタ装置と、を備えて、光検出ユニットに赤外線が入射する場合に出力される第１の電流と、光検出ユニットに赤外線が入射しない場合に出力される第２の電流との差分に基づき光電流の検出を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
シャッタにより赤外線が入射する場合と入射しない場合の電流を検出するので、安価に、かつ、完全に暗電流を補償した光電流の検出が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる量子ドット型光検出装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態にかかる図１に示す量子ドット型光検出装置におけるＡ−Ａ−Ａ断面図である。
【図３】第１の実施形態にかかる量子ドット型光検出装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態にかかるキャリア電流を説明するためのバイアス電圧印加時における伝導帯のバンドダイヤグラムである。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる量子ドット型光検出装置の斜視図である。
【図６】第２の実施形態にかかる図５に示す量子ドット型光検出装置におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図７】第２の実施形態にかかる量子井戸層や障壁層を含む量子ドット型光検出装置の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる量子ドット型光検出装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる量子ドット型光検出装置１０Ａの斜視図である。また、図２は、図１における量子ドット型光検出装置１０ＡのＡ−Ａ−Ａ断面図である。
【００２０】
量子ドット型光検出装置１０Ａは、半導体基板１１に形成された光検出ユニット２０Ａと、シャッタ装置１２とを備える。なお、図２において、半導体基板１１の基板成長軸は、上下方向に設定されている。
【００２１】
半導体基板１１は、母材基板１１ａとバッファ層１１ｂとからなる。シャッタ装置１２は、遮蔽部材１２ａ、この遮蔽部材１２ａに形成された開口部１２ｂ、この開口部１２ｂを開閉するシャッタ１２ｃを含んでいる。
【００２２】
光検出ユニット２０Ａは、検出側下電極２１ａと検出側上電極２１ｂとからなる検出側電極部２１、検出側下コンタクト層２２ａと検出側上コンタクト層２２ｂとからなる検出側コンタクト部２２、検出側中間層２３と複数の量子層２４とからなる量子部２５、を含んでいる。そして、半導体基板１１の上に、検出側下コンタクト層２２ａ、検出側中間層２３、量子層２４、検出側上コンタクト層２２ｂ、検出側上電極２１ｂが順次積層されている。この積層体に隣接する検出側下コンタクト層２２ａの上には、検出側下電極２１ａが形成されている。なお、図１等においては、光検出ユニット２０Ａは、円柱体をなす場合について図示しているが、本発明は円柱体に限定するものではないことを予め付言する。
【００２３】
量子層２４は、濡れ層２４ａとキャップ層２４ｂとの２層構造である。濡れ層２４ａは、自分より直下層のキャップ層２４ｂ又は検出側中間層２３との格子ミスマッチによる歪みエネルギーを減少させるために、自分より直上層のキャップ層２４ｂ側に複数の量子ドット２４ｃを生成する。
【００２４】
このような量子ドット型光検出装置１０Ａの詳細な構成及び製造方法を図２及び図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２５】
ステップＳ１：  半導体基板１１は、母材基板１１ａにバッファ層１１ｂの２層構造である。バッファ層１１ｂは、母材基板１１ａに分子線エピタキシー法や有機金属気相成長法を用いて結晶成長させて製造される。以下、各種の膜の製法においては、このような分子線エピタキシー法や有機金属気相成長法が用いられる。母材基板１１ａとして、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体のＧａＡｓが例示できる。また、バッファ層１１ｂの組成は、母材基板１１ａと同一組成であることが望ましい。例えば、母材基板１１ａがＧａＡｓの場合には、バッファ層１１ｂもＧａＡｓにすることが好ましい。以下の説明においては、母材基板１１ａとしてＧａＡｓ基板を例に説明する。
【００２６】
ステップＳ２：  次に、バッファ層１１ｂの上に、厚さ数１００ｎｍの検出側下コンタクト層２２ａを形成する。この検出側下コンタクト層２２ａは、例えばＧａＡｓにＳｉ等のｎ型不純物を適当な濃度（例えば、１０１８ｃｍ−３）で添加して形成する。
【００２７】
これにより、検出側下コンタクト層２２ａは、真性半導体である検出側中間層２３に対してｎ型又はｐ型の不純物を高濃度で含む半導体層となり、検出側下電極２１ａとオーミック接合するようになる。一般に金属電極と半導体との界面にはショットキー障壁が形成されるが、半導体の不純物濃度が高いほど実効的な障壁厚さは薄くなって、トンネル電流が大きくなる。本実施形態のように不純物量が、約１０１８ｃｍ−３と高濃度の場合には、実効的に金属・半導体オーミック接合として取り扱うことができる。
【００２８】
ステップＳ３，Ｓ４：  次に、検出側下コンタクト層２２ａの上に検出側中間層２３を形成する。その後、検出側中間層２３の上に量子層２４を複数層形成する。検出側中間層２３は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料又はそれらの混晶が好適である。また、量子層２４の濡れ層２４ａは、検出側中間層２３よりもバンドギャップが狭い、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料が好ましい。Ｓ−Ｋモードの量子ドットは、例えばＧａＡｓの検出側中間層２３の上に、ＧａＡｓより格子定数の大きなＩｎＡｓの濡れ層を数モノレイヤだけ積層することで形成される。さらに、キャップ層２４ｂは、例えば検出側中間層２３と同じＧａＡｓ、ＡｌＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料又はそれらの混晶を用いることができる。
【００２９】
ステップＳ５：  量子層２４の層数は、要求される感度等に応じて設定される。そこで、量子層２４の積層数が設定数に達したか否かを判断する。設定数に達しない場合には、ステップＳ４に戻り、設定数に達した場合にはステップＳ６に進む。本実施形態は、量子層２４が１層だけの場合を排除するものではない。
【００３０】
量子層２４を積層する際に、量子層２４の上層、下層又は内層にＡｌＧａＡｓ障壁層やＩｎＧａＡｓ量子井戸層等を設けても良い。このような量子井戸層を設けることにより感度が向上する（「Ｖ．Ｍ．Ｕｓｔｉｎｏｖ  ｅｔａｌ．  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ７４，Ｎｏ１９，２８１５−２８１７（１９９９）」を参照）。
【００３１】
ステップＳ６，Ｓ７：  次に、検出側下コンタクト層２２ａと同様に、高濃度の不純物がドープされた検出側上コンタクト層２２ｂを形成する。そして、このようにして形成された積層体に対して、露光、現像、エッチング等の技術を用いてパターニングする。以下、便宜上、パターニングされた積層体を中間積層体と記載する。
【００３２】
ステップＳ８：  中間積層体に対して、検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａを形成する。検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａは、それぞれ検出側上コンタクト層２２ｂ及び検出側下コンタクト層２２ａとオーミック接合する。検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａが検出側上コンタクト層２２ｂ及び検出側下コンタクト層２２ａとｎ型コンタクトするための検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの材料として、Ｔｉ／Ａｕ等を用いることができる。逆に、ｐ型コンタクトするためには、検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの材料として、Ｔｉ／Ｚｎ／Ａｕ等を用いることができる。なお、本明細書では、Ｔｉ／Ａｕ等のように記載したときは、Ｔｉの上にＡｕを積層した膜であることを意味するものとする。
【００３３】
検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの形成には、リフトオフ法等の種々の方法が利用できる。リフトオフ法を用いる場合は、先ず中間積層体の上にレジストを塗布する。そして、電子線又は紫外線リソグラフィーによって検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの形状に対応した潜像を形成し、現像液で現像してレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの形状に対応する領域のレジストが抜けたパターンとする。その後、検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａとなる金属を電子線金属蒸着等により成膜する。この状態で、レジストの剥離を行う。これにより、レジストの上に蒸着された金属は、レジストの剥離と同時に除去されて、検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの領域に金属膜が残る。この残った金属膜が検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａとなる。
【００３４】
以上により、メサ構造の光検出ユニット２０Ａが形成される。光検出ユニット２０Ａは、半導体基板１１に複数個同時形成されるので、光検出ユニット２０Ａ毎に切り出す処理（ダイシング）が行われ、所定の支持基材等にマウントされる。この支持基材としては、例えばセラミックやＳｉ基板等が例示できる。そして、ワイヤーボンディング等により、検出側上電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａは、電圧印加のための直流電圧源や読み出し用のＩＣ回路等に接続される。結線材として、Ａｕ、Ｃｕ又はＡｌで、太さ約１００μｍ以下の金属細線が利用できる。
【００３５】
次に、シャッタ装置１２について説明する。先ず、所定厚みの遮蔽部材１２ａとしてフォトレジスト等の有機高分子膜を用いる場合には、紫外線リソグラフィー技術等を適宜用いて開口部１２ｂを形成し、例えば約２００度の高温で焼結する。そして、シャッタ１２ｃを遮蔽部材１２ａに取り付ける。
【００３６】
以下の説明では、シャッタ１２ｃは、機械的に駆動されて、開口部１２ｂを開閉する場合について説明するが、例えば、互いに直交する直線偏光の偏光子間のなす角度をパラメータとした光学的なシャッタや、電圧印加で粒子の配向を制御して光の透過率を制御する液晶を用いたシャッタ等が適用可能である。
【００３７】
また、検出する赤外光の入射方向が、図２において下から上方向である場合には、シャッタ装置１２を半導体基板１１側に設けることも可能である。
【００３８】
次に、このような量子ドット型光検出装置１０Ａの動作を説明する。量子ドット型光検出装置１０Ａに赤外線が入射すると、この量子ドット型光検出装置１０Ａには電流が流れる。この電流は、赤外線が入射したことによる光電流と、暗電流とを含んでいる。そして、量子ドット型光検出装置を初めとする光検出装置においては、暗電流が小さいことが望まれる。
【００３９】
暗電流は、［１］バイアス印加によるバイアス電流、［２］ドーパントに起因した熱励起による暗電流成分、［３］量子ドット層間のトンネル電流による暗電流成分の３種類に大別される（「Ａ．Ｒｏｇａｉｓｋ  ｅｔａｌ．  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  １０５，０９１１０１（２００９）」を参照）。
【００４０】
［１］バイアス電流
図４を参照しながらキャリアが電子の場合のバイアス電流について説明する。なお、キャリアが正孔の場合も同様の議論が成り立つ。図４は、一般的な量子ドット型光検出装置におけるバイアス電圧印加時の伝導帯ＣＢのバンドダイヤグラムである。量子ドット型光検出装置は、ｎ型の上電極（コンタクト層を含む）Ｐａ及び下電極（コンタクト層を含む）Ｐｂの間に量子ドットを含む量子部Ｐが設けられたｎ−ｉ−ｎ構造で、電流を取出すためにバイアス電圧が印加されている。
【００４１】
フェルミ面マッチングにより伝導帯Ｃｖのｎ−ｉ界面にはポテンシャルバリアが形成されるが、電流を取り出すために上下のｎ型コンタクト層に電圧を印加すると、電子は高バイアス側のｎ−ｉ界面のバリアを乗り越えて流れ始める。この時の電流がバイアス電流である。
【００４２】
バイアス電流は、量子ドット内のサブバンド間遷移に起因する光電流に対する雑音成分となるものの光検出後の量子ドットにキャリアを再捕獲させるためには必須である。バイアス電流の大きさは、量子部Ｐの有無よりもｎ−ｉ界面のポテンシャルバリアにより決まり、また量子井戸層や障壁層が存在する場合には、その組成や膜厚に応じて決まる。
【００４３】
［２］  ドーパントに起因した熱励起による暗電流成分
この暗電流成分は、ドーパントに起因して生成される熱励起電子によるものである。量子ドット型光検出装置では、コンタクト層以外にも量子ドットの荷電状態をコントロールするために、低濃度のｎ型又はｐ型の不純物を添加している。
【００４４】
このようなドナー（例えば、ＧａＡｓ基板に対するＳｉ原子）中の電子、又は、アクセプター（例えば、ＧａＡｓ基板に対するＢｅ原子）中の正孔は、母材半導体の伝導帯又は価電子帯に対して弱く束縛されていて、それらが熱エネルギーを獲得してフリーキャリアとなる割合は温度によって変化する。従って、量子ドット型光検出装置では、環境温度変化に応じてドーパントに起因した暗電流成分が増減する。なお、量子ドットのサブバンド間のエネルギーは、１００ｍｅＶ程度であり、室温程度の熱エネルギーと比較してずっと大きい。
【００４５】
［３］  量子ドット層間のトンネル電流による暗電流成分
Ｓ−Ｋモードの量子ドット積層構造では、量子ドットの直上に格子歪みのエネルギーが蓄積するために、量子ドット層間の距離が小さい場合には、次層の量子ドットも同一の場所に連なって成長する傾向にある。このため量子ドット層間の距離が小さい（典型的には２０〜３０ｎｍ以下程度）と、各々の量子ドット中のキャリアの波動関数の重なりにより、キャリアがトンネルして、暗電流となる。
【００４６】
このような暗電流による検出感度の低下を抑制又は補償するために、本実施形態では、シャッタ１２ｃを開閉させて、２つの状態における検出電流値から暗電流成分を除去する。
【００４７】
即ち、バイアス印加条件を変えずに、シャッタ１２ｃを開いた場合と、シャッタ１２ｃを閉じた場合との電流値を計測する。シャッタ１２ｃを開いた場合には、赤外線は光検出ユニット２０Ａに入射するが、シャッタ１２ｃを閉じた場合には、赤外線は光検出ユニット２０Ａに入射しない。暗電流は、赤外線が入射するか否かにかかわらず発生するので、シャッタ１２ｃの開閉時における電流値の差分は、赤外線による光電流に相当する。
【００４８】
より具体的に説明する。量子ドット型光検出装置が、時刻ｔからδｔ秒の間に出力した電流値Ｉの平均値を＜Ｉ（ｔ：δｔ）＞と記載する。このとき、シャッタ１２ｃを開けた状態で、時刻ｔｄからδｔ秒間だけ電流値Ｉを測定し、その平均値（第１の電流値）を＜Ｉ（ｔｄ：δｔ）＞とする。この電流値＜Ｉ（ｔｄ：δｔ）＞は、赤外線による光電流Ｉｅと、暗電流Ｉｄとの和である。その後、シャッタ１２ｃを閉じた状態で、時刻ｔｒからδｔ秒間だけ電流値Ｉを測定し、その平均値（第２の電流値）を＜Ｉ（ｔｒ：δｔ）＞とする。この電流値＜Ｉ（ｔｒ：δｔ）＞は、暗電流Ｉｄのみである。従って、光電流Ｉｅは、Ｉｅ＝＜Ｉ（ｔｄ：δｔ）＞−＜Ｉ（ｔｒ：δｔ）＞となる。
【００４９】
以上説明したように、暗電流を補償した光電流を得ることができるので、信号・雑音比の高い量子ドット型光検出装置を提供することができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。第１の実施形態においては、シャッタを開閉した際の電流の差分から暗電流を補償して、赤外線により発生する光電流のみが検出できるようにした。これに対し、本実施形態では、シャッタを閉じた状態に対応する電流と、シャッタを開けた状態に対応する電流とを同時に計測できるように対照ユニットを設けた。
【００５１】
図５は、本実施形態にかかる量子ドット型光検出装置１０Ｂの斜視図である。また、図６は、図５におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００５２】
量子ドット型光検出装置１０Ｂは、半導体基板１１の上に形成された光検出ユニット２０Ａと、この光検出ユニット２０Ａの上に形成された対照ユニット３０Ｂとを備える。なお、図５においては、光検出ユニット２０Ａの上に対照ユニット３０Ｂが重ねて設けられた構成を示しているが、本発明はこの順序に限定するものではなく、対照ユニット３０Ｂの上に光検出ユニット２０Ａを設けた構成であっても良い。しかし、図５に示すように、光検出ユニット２０Ａの上に対照ユニット３０Ｂを形成する構成では、土台となる光検出ユニット２０Ａの径が対照ユニット３０Ｂより大きくなるので、感度を稼ぐ意味で好ましい配置である。以下の説明では、光検出ユニット２０Ａの上に対照ユニット３０Ｂを重ねて設けた構成を例に説明する。このとき光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｂとの基板成長軸に垂直方向の断面積比は、詳細に分かっているものとする。
【００５３】
対照ユニット３０Ｂは、複数のダミー層３４により形成されたダミー部３５、対照側上コンタクト層３２ａ及び対照側下コンタクト層を含む対照側コンタクト部３２、対照側上電極３１ａ及び対照側下電極を含む対照側電極部３１、を備える。ダミー部３５は、光検出ユニット２０Ａの検出側上コンタクト層２２ｂの上に形成され、このダミー部３５の上に対照側中間層３３、対照側上コンタクト層３２ａ、対照側上電極３１ａが順次形成されている。
【００５４】
なお、本実施形態においては、対照側下コンタクト層及び対照側下電極は、光検出ユニット２０Ａの検出側上コンタクト層２２ｂと検出側上電極２１ｂにより兼ねられている。そこで、以下の説明においては、対照側下電極を兼ねる検出側上電極２１ｂを共通電極２１ｂ、対照側下コンタクト層を兼ねる検出側上コンタクト層２２ｂを共通コンタクト層２２ｂと記載する。しかしながら、本発明は、このように対照側下コンタクト層及び対照側下電極を、検出側上コンタクト層と検出側上電極により兼ねる構成に限定するものではない。
【００５５】
光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｂとの製造は、第１の実施形態における光検出ユニット２０Ａの製造方法と同様の手順を繰り返すことにより行われる。即ち、母材基板１１ａにバッファ層１１ｂ、検出側下コンタクト層２２ａ、検出側中間層２３を順次形成し、所定数の量子層２４を形成する。そして、最上層の量子層２４の上に共通コンタクト層（検出側上コンタクト層）２２ｂを形成する。これにより、光検出ユニット２０Ａの母体が形成される。この共通コンタクト層２２ｂの厚さは、プロセスの容易さを勘案して、約２００ｎｍ以上が好ましい。  次に、共通コンタクト層２２ｂの上に所定層数のダミー層３４が形成され、その上に対照側中間層３３及び対照側上コンタクト層３２ａが順次形成される。なお、対照側中間層３３及びダミー層３４は、検出側中間層２３と同じ材質で形成されている。また、ダミー層３４は光検出ユニット２０Ａにおける量子層２４の厚みと同じ寸法に設定され、またその層数は量子層２４と同じ数に設定されている。これにより、対照ユニット３０Ｂの母体が形成される。
【００５６】
このように光検出ユニット２０Ａは量子ドット２４ｃを含むが、対照ユニット３０Ｂは量子ドット２４ｃを含まない点で相違している。
【００５７】
次に、レジストを塗布し、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてレジストパターンを形成する。この段階で形成されるレジストパターンは、光検出ユニット２０Ａの形状に対応している。そこで、このレジストパターンをエッチングマスクとして光検出ユニット２０Ａの積層体を形成する。その後、同じようにレジストを塗布し、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いてレジストパターンを形成する。この段階で形成されるレジストパターンは、対照ユニット３０Ｂの形状に対応している。そこで、このレジストパターンをエッチングマスクとして対照ユニット３０Ｂの積層体を形成する。
【００５８】
光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｂの積層体が形成されると、対照側上電極３１ａ、共通電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａとなる金属膜を形成する。このとき、リフトオフ法を用いる場合には、対照側上電極３１ａ、共通電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａの形状に対応した開口を持つレジストパターンを形成し、その上からＴｉ／Ａｕ等やＴｉ／Ｚｎ／Ａｕ等の金属膜を電子線金属蒸着等により形成する。そして、レジスト剥離を行うことにより、レジスト上の金属膜が除去されて、対照側上電極３１ａ、共通電極２１ｂ及び検出側下電極２１ａが形成される。
【００５９】
このようにして製造された量子ドット型光検出装置１０Ｂの対照側上電極３１ａと検出側下電極２１ａに同電位の電圧を印加し、共通電極２１ｂをグランドとする。これにより、光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｂとには同じバイアスが印加される。
【００６０】
検出側下電極２１ａ及び対照側上電極３１ａと、共通電極２１ｂとの間には、それぞれ光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｂで発生した電流が流れる。そこで、光検出ユニット２０Ａからの電流値と、対照ユニット３０Ｂからの電流値との差分を、これらの断面積比を勘案して求めることにより、暗電流成分が補償された電流値が得られる。この電流値が光電流となる。
【００６１】
このように、対照ユニットと光検出ユニットとが上下関係を成すように形成したので、単位画素を構成する素子面積が小さくなり、量子ドット型光検出装置の小型化が行える。
【００６２】
また、対照ユニットは半導体の製造技術をそのまま利用できるので、新規設備の導入等が不要になる利点がある。さらに、光検出ユニットと対照ユニットとは、一体化されているので、光検出ユニットと対照ユニットとの温度は、常に概ね等しくなり、かつ、温度分布の変化幅も小さくできるので、光電流の検出精度が向上する。
【００６３】
なお、量子ドット型光検出装置は、量子井戸層や障壁層を含んでいても良い。以下、量子井戸層を含む場合を、図７を参照して説明する。
【００６４】
図７において光検出ユニット２０Ａの量子層２４は、濡れ層２４ａ、キャップ層２４ｂ、量子ドット２４ｃを備えると共に、濡れ層２４ａとキャップ層２４ｂに挟まれるように量子井戸層２４ｄを備えている。また、対照ユニット３０Ｂのダミー部３５は、中間層３５ａ、量子井戸層３５ｂを備えている。光検出ユニット２０Ａにおいては、濡れ層２４ａの上に量子井戸層２４ｄが配置されているが、対照ユニット３０Ｂにおいては量子井戸層３５ｂの上に中間層３５ａが配置されている。このように、光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｂとは、量子層２４に濡れ層２４ａと量子ドット２４ｃが含まれている点のみが相違している。なお、量子井戸層３５ｂの順序が逆になる理由は、光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｂとに加えられるバイアスの向きに対応させているからである。
【００６５】
従って、光検出ユニット２０Ａを流れる電流値と、対照ユニットを流れる電流値との差分を求めることにより、暗電流成分を含まない赤外線の入射による光電流のみを検出することができる。
【００６６】
なお、上述した量子ドット型光検出装置１０Ｂの構成は、光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｂは、複数の基本膜を交互に積層して形成された多層膜で、かつ、光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｂとの基本膜の積層順序が逆順であると表現できる。即ち、例えば図７において、光検出ユニット２０Ａにおける基本膜は、濡れ層２４ａ、量子井戸層２４ｄ、キャップ層２４ｂに相当し、対照ユニット３０Ｂにおける基本膜は、中間層３５ａ、量子井戸層３５ｂに相当する。そして、量子井戸層に注目すると、量子井戸層２４ｄの上にキャップ層２４ｂ、濡れ層２４ａが順次位置し、この量子井戸層２４ｄに対応する量子井戸層３５ｂの下にキャップ層２４ｂ及び濡れ層２４ａに対応する中間層３５ａが位置している。これにより、光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｂにおける基本膜の積層順序は、逆順と表現できる。
【００６７】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、第２の実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００６８】
第２の実施形態においては、暗電流を補償するために対照ユニットを設けた。この対照ユニットには赤外線が入射するので、量子ドットは形成されていなかった。これに対し、本実施形態では、光検出ユニットと同じように量子ドットを含む構成とし、断面積のみが異なる対照ユニットを設けた。そして、この対照ユニットに赤外線が入射しないように、光検出ユニットと対照ユニットとの間に分布ブラッグ反射鏡を設けた構成とした。
【００６９】
このような構成を、図８を参照して説明する。図８は、本実施形態にかかる量子ドット型光検出装置１０Ｃの断面図である。図６に示す第２の実施形態にかかる量子ドット型光検出装置１０Ｂとの比較において、対照ユニットのダミー層３４が量子層３６により形成されている点が相違する。
【００７０】
量子層３６は、濡れ層３６ａ、キャップ層３６ｂを備えると共に、複数の量子ドット３６ｃを有している。また、共通コンタクト層２２ｂは光検出ユニット２０Ａの検出側上コンタクト層２２ｂと、対照ユニット３０Ｃの対照側下コンタクト層３２ｂに分割され、共通電極２１ｂは光検出ユニット２０Ａの検出側上電極２１ｂと、対照ユニット３０Ｃの対照側下電極３１ｂに分割されている。そして、検出側上コンタクト層２２ｂと対照側下コンタクト層３２ｂとの間に、分布ブラッグ反射鏡４０が設けられている。
【００７１】
分布ブラッグ反射鏡４０は、例えば検出側中間層２３と同質の膜と、この膜に対して屈折率の異なる半導体層とを交互に複数積層して形成された多層膜である。このような膜として、例えば、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを対として、複数対が積層された膜が例示できる。このとき、膜厚は量子ドット型光検出装置１０Ｃの検出エネルギーにおける各々の材質中での波長の４分の１に設定されている。そして、充分な性能（反射率）を得るためには、多層膜の数は２０から３０以上が好ましい。なお、光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｃの基板成長軸と垂直方向の断面積比は、設計仕様であり、詳細に分かっているものとする。
【００７２】
以下の説明において、赤外線は、図８の紙面下側から上方に向かって入射されるものとする。そして、光検出ユニット２０Ａに入射した赤外線の一部は量子層２４で吸収され、残りは分布ブラッグ反射鏡４０で略完全反射される。このため、対照ユニット３０Ｃに赤外線は入射しない。
【００７３】
従って、光検出ユニット２０Ａにおいて検出された電流と、対照ユニット３０Ｃにおいて検出された電流との差分を求めることにより、暗電流成分を含まない光電流のみが検出できるようになる。
【００７４】
特に、対照ユニット３０Ｃにおいても、量子ドット３６ｃが形成されているので、この量子ドット３６ｃに起因したドット間トンネル電流も差し引かれる。従って、得られる光電流は、赤外線の吸収により発生した光電流のみとすることができ、高い信号・雑音比が達成できる。
【００７５】
なお、上述した量子ドット型光検出装置１０Ｃにおける光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｃの積層順序に関しても、第２の実施形態と同様に、光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｃは、複数の基本膜を交互に積層して形成された多層膜で、かつ、光検出ユニット２０Ａと対照ユニット３０Ｃとの基本膜の積層順序が逆順であると表現できる。即ち、例えば図８において、光検出ユニット２０Ａにおける基本膜は、濡れ層２４ａ、キャップ層２４ｂに相当し、対照ユニット３０Ｂにおける基本膜は、濡れ層３６ａ、キャップ３６ｂに相当する。そして、濡れ層２４ａの上にキャップ層２４ｂが位置しているのに対し、キャップ３６ｂの下に濡れ層３６ａが位置している。これにより、光検出ユニット２０Ａ及び対照ユニット３０Ｃにおける基本膜の積層順序は、逆順と表現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、暗視装置や赤外線天体観測等において用いられる波長が１０μｍ程度の遠中赤外線の検出装置に適用できる。
【符号の説明】
【００７７】
１０Ａ〜１０Ｃ    量子ドット型光検出装置
１１    半導体基板
１１ａ    母材基板
１１ｂ    バッファ層
１２    シャッタ装置
１２ａ    遮蔽部材
１２ｂ    開口部
１２ｃ    シャッタ
２０Ａ    光検出ユニット
２１    検出側電極部
２１ａ    検出側下電極
２１ｂ    検出側上電極（共通電極）
２２    検出側コンタクト部
２２ａ    検出側下コンタクト層
２２ｂ    検出側上コンタクト層（共通コンタクト層）
２３    検出側中間層
２４    量子層
２４ａ    濡れ層
２４ｂ    キャップ層
２４ｃ    量子ドット
２４ｄ    量子井戸層
２５    量子部
３０Ｂ，３０Ｃ    対照ユニット
３１    対照側電極部
３１ａ    対照側上電極
３１ｂ    対照側下電極
３２    対照側コンタクト部
３２ａ    対照側上コンタクト層
３２ｂ    対照側下コンタクト層
３３    対照側中間層
３４    ダミー層
３５    ダミー部
３５ａ    中間層
３５ｂ    量子井戸層
３６    量子層
３６ａ    濡れ層
３６ｂ    キャップ層
３６ｃ    量子ドット
４０    分布ブラッグ反射鏡
【図１】
2012235057.tif 000003
【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】
2012235057.tif 000008
【図７】
2012235057.tif 000009
【図８】
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