(57)【要約】【課題】広い検出波長帯域を有する赤外線検出器を提供する。【解決手段】赤外線検出器は、複数の量子ドットを含む量子ドット層１３と、第１、第２の量子井戸層１２、１４と、第１、第２の障壁層１１、１５と、中間層１０とを有し、検出対象光に基づく電子１７の量子ドットにおける準位間遷移を利用する。第１、第２の量子井戸層１２、１４、第１、第２の障壁層１１、１５ならびに量子ドット層１３の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与されている。これにより、量子ドットそれぞれの電子１７の励起準位ＥＬ１に、所望の検出帯域幅に応じたばらつきを有している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子ドットを含む量子ドット層と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層と、前記対の障壁層を挟む対の中間層とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、
平均の厚さが前記量子ドットの高さの１／４以下であること、
厚さのばらつきが所定の大きさ以上であること、ならびに、
構成元素組成が空間的にばらついていること
のうちの少なくとも１つが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記障壁層および前記量子井戸層の少なくとも一方に、
平均の厚さが１ｎｍ以下であること、もしくは、
厚さのばらつきの平均値が４原子層以上であること
が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、当該面内で複数種類の組成の分布が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に付与された組成分布は、該量子井戸層および該障壁層の少なくとも一方の面内に形成された複数種類のIII族元素が規則的に配列した構造によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
前記量子ドット層に含まれる前記複数の量子ドットに、所定の大きさ以上の高さのばらつきが付与され、
それにより、該量子ドットそれぞれの電子の基底準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
前記複数の量子ドットに付与された高さのばらつきは、それぞれ複数の量子ドットを含み、原子層単位で高さが相互に異なる複数の量子ドット群の分布によって構成されることを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出器。
【請求項８】
前記量子ドットそれぞれの電子の基底準位のばらつきを示すバンド間遷移エネルギーが、６０ｍｅＶ以上であることを特徴とする請求項６乃至７のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項９】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓから成り、
前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓから成り、
前記障壁層は、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓから成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項１０】
複数の量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層を形成する工程と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層を形成する工程と、前記対の障壁層を挟む対の中間層を形成する工程とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器の製造方法であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つに対して、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきを付与することにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを持たせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【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出器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱検出や二酸化炭素や大気汚染物質などの濃度測定を目的として、赤外線検出器に対する需要が高まっている。赤外線検出器の材料や構造の候補は複数あり、その１つが光吸収層に半導体量子ドットを含む、量子ドット型赤外線検出器（Quantum Dot Infrared Photodetector：ＱＤＩＰ）である。
【０００３】
ＱＤＩＰは、量子ドットの周囲が、量子ドットを構成する材料よりも大きなバンドギャップをもつ半導体で３次元的に囲まれた構造を有している。量子ドットの領域（典型的には数十ｎｍの大きさ）には、電子および正孔が強く閉じ込められている。その結果、量子ドット中に離散的なエネルギー準位が形成される。ＱＤＩＰは、それらの準位のうち、伝導帯の複数の電子サブバンド準位を利用し、サブバンド間エネルギー差に相当するエネルギーを持つ赤外線を検出することができる。
【０００４】
ＱＤＩＰは、離散的なサブバンド間遷移を利用するため、個々の量子ドットでは離散的な検出波長帯域である。しかし、実際上は、検出器には多数の量子ドットが含まれているため、検出波長帯域は、量子ドットの大きさや形状の不可避なばらつき（不均一広がり）に相当する程度の広がりをもつ。例えば、１ｃｍ２あたり量子ドットが１０１１個あり、検出器の受光面が３００μｍ角（面積は９×１０−４ｃｍ２）であるとすると、そこには９×１０７個の量子ドットが含まれる。この不均一広がりが検出器全体としての検出波長帯域に反映される。
【０００５】
ところで、ＱＤＩＰをも含む赤外線検出器の性能指標として、比検出能がある。比検出能Ｄ＊は、次の式１により定義される。
【数１】
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【０００６】
ここで、Ｒは受光感度（単位はＡ／Ｗ）、Ｓは受光面積、Δｆは帯域幅、ｉｎは単位帯域幅（１Ｈｚ）当たりのノイズ電流密度（単位はＡ／√Ｈｚ）である。
【０００７】
比検出能Ｄ＊は、１Ｗの光入力があったときの交流的なＳ／Ｎがどれだけあるかを示すものである。式１から明らかなように、比検出能Ｄ＊は、受光面積と帯域幅で規格化されているため、異なる素子で比較することができる。比検出能Ｄ＊が高いほど、優れた性能の赤外線検出器であると言える。
【０００８】
比検出能Ｄ＊を高くする手法として、量子ドット層（およびそれを取り囲む量子井戸層）の上下を、それらよりもバンドギャップの広いＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓから成る障壁層によって挟んだ構造が知られている（特許文献１、非特許文献１）。この構造によれば、電子が量子ドットによって強く閉じ込められ、電子の遷移確率が上昇する。その結果、高い比検出能Ｄ＊が得られる。例えば、非特許文献１には、実際の構造において、近接障壁層が無い場合と比較して比検出能Ｄ＊が１０倍程度大きくなることを示している。
【０００９】
障壁層を有する量子ドット型赤外線検出器は、特許文献１、非特許文献１以外にも、例えば、特許文献２〜４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−０６５１４２号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９５３３３号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０９４３４号公報
【特許文献４】特開２０１２−０２３３０７号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】A.V.Barveほか、Applied Physics Letters 99巻、2号、191110-1頁〜191110-3頁 (2011年発行)
【非特許文献２】A.Gomyoほか、Phys. Rev. Lett.72 pp.673-676 (1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＱＤＩＰの特徴の１つは、検出波長が狭帯域である点である。そして、ＱＤＩＰの検出中心波長は、光吸収層に含まれる量子ドットまたはその周辺構造を変えることによって所望の値に設定できることが知られている。
【００１３】
しかし、赤外線検出器の用途によっては、検出波長が広帯域である方が好ましい場合もある。しかし、広い検出波長帯域を得るための手法は、十分に研究されているとは言い難い実状にある。
【００１４】
それ故、本発明の目的は、広い検出波長帯域を有する赤外線検出器およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様によれば、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層と、前記対の障壁層を挟む対の中間層とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器であって、前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与され、それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする赤外線検出器が得られる。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、複数の量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層を形成する工程と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層を形成する工程と、前記対の障壁層を挟む対の中間層を形成する工程とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器の製造方法であって、前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つに対して、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきを付与することにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを持たせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、広い検出波長帯域を有する赤外線検出器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態１〜５による赤外線検出器の基本的な構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態１〜５による赤外線検出器の要部の基本的な構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態１〜５による赤外線検出器の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の実施形態１、２による赤外線検出器を説明するための図であり、（ａ）はエネルギーバンド図、（ｂ）は検出波長帯域に対する感度を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１による赤外線検出器の波長応答スペクトルの測定例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３、４による赤外線検出器を説明するための図であり、（ａ）はエネルギーバンド図、（ｂ）は検出波長帯域に対する感度を示す図である。
【図７】量子ドット層からのフォトルミネッセンス発光特性を表す図であり、（ａ）は比較例による赤外線検出器の特性を示し、（ｂ）は本発明の実施形態３による赤外線検出器の特性を示す。
【図８】本発明の実施形態３による赤外線検出器における量子ドットの高さのばらつきを模式的に表した図である。
【図９】本発明の実施形態５による赤外線検出器の受光特性を表す模式図である。
【図１０】本発明の実施形態１〜５を組み合わせた変形例による赤外線検出器を説明するための図であり、（ａ）はエネルギーバンド図、（ｂ）は検出波長帯域に対する感度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る赤外線検出器１００の構造を示す断面図である。また、図２は、図１に示された赤外線検出器１００における光吸収層４の構造を示す断面図である。尚、これらの図において、各層の厚さ寸法の比率や、量子ドットの径寸法の比率などは、説明の便宜上、正確には描いていない。
【００２１】
図１に示されるように、半導体基板１の上に緩衝層２が形成されている。緩衝層２は、半導体基板１と同じ半導体材料から構成されている。また、緩衝層２の上に下部コンタクト層３が形成されている。下部コンタクト層３は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。尚、下部コンタクト層３は、半導体基板１上に、緩衝層２を介さず直接形成されていてもよい。また、下部コンタクト層３の上に光吸収層４及び下部電極７が形成されている。
【００２２】
尚、半導体基板１がｎ型である場合には、半導体基板１と接触するように下部電極７を形成しても構わない。また、光吸収層４に量子ドット層１３が含まれているが、詳細は後ほど図２を参照して説明する。
【００２３】
光吸収層４の上には上部コンタクト層５が形成されている。上部コンタクト層５は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。光吸収層４と上部コンタクト層５は、エッチングプロセス等によりその一部が取り除かれており、上部コンタクト層５の一部分が上部電極６で覆われている。
【００２４】
上部電極６と下部電極７との間に適切な電圧を印加した条件下で、矢印で示すように紙面上部から赤外線Ｘが入射されると、光吸収層４において構造に応じた波長の赤外線を吸収して電子を励起し、その結果上部電極６と下部電極７との間に光電流が流れる。
【００２５】
図１および図２を併せ参照すると、光吸収層４は、複数の量子ドット１３１と、埋込層１３２とから成る量子ドット層１３と、量子ドット層１３を挟み、量子ドット層１３よりもバンドギャップエネルギーが大きい第１の量子井戸層１２および第２の量子井戸層１４と、第１の量子井戸層１２および第２の量子井戸層１４を挟み、第１の量子井戸層１２および第２の量子井戸層１４よりもバンドギャップエネルギーが大きい第１の障壁層１１および第２の障壁層１５と、第１の障壁層１１および第２の障壁層１５を挟む対の中間層１０とを有している。
【００２６】
さらに、本例では、上記の一連の積層体が、１０回程度繰り返し積層されている。これにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率が向上するようにしている。ただし、図１においては、図示を簡略化して３回の繰り返し積層を示している。
【００２７】
［原理］
図３は、本実施形態の動作原理を説明するためのエネルギーバンド図であり、赤外線検出器１００のバイアス印加時の伝導帯エネルギーを示している。図３中、図１の上下方向は、左右方向に対応しており、図１の上側は図３の右側に対応している。尚、厳密には量子ドットの電子エネルギーバンドは３次元構造であるが、近似として１次元で表している。
【００２８】
図３から明らかなように、量子ドット層１３のエネルギーが最も低く、第１の量子井戸層１２と第２の量子井戸層１４よりも中間層１０のエネルギーが高く、第１の障壁層１１と第２の障壁層１５のエネルギーが最も高い。このような構造により、量子ドット層を中心とする領域に閉じ込められた電子１６の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。
【００２９】
基底準位ＥＬ１に電子１６が在る状態で励起準位ＥＬ２と基底準位ＥＬ１とのエネルギー差に相当する赤外線が入射すると、赤外線のエネルギーを吸収して電子１６が基底準位ＥＬ１から励起準位ＥＬ２へ励起される。上部電極６と下部電極７との間にはバイアス電圧が印加されており、これにより電子１６は第２の障壁層１５をトンネルし、電流の変化として赤外線を検出できる。
【００３０】
図３では、１つの量子ドットに対するバンド構造を示しているが、本実施形態をも含め、１つの赤外線検出器中には多数の量子ドットが含まれている。それらの量子ドットの大きさや形状は、ある幅でばらついており、これは不均一広がりとも呼ばれる。この不均一広がりによって量子ドットの基底準位ＥＬ１および励起準位ＥＬ２がばらつき、これらのばらつきにより、赤外線検出器の検出波長帯域が決まる。
【００３１】
一般に、良質な量子ドットを形成しようとすると、結果として大きさや形状は揃う傾向にあるため、不均一広がりを意図的に大きくすることは難しい。結果として、赤外線検出器は狭帯域動作となり、ＱＤＩＰの主な特徴の一つとなっている。
【００３２】
［実施形態１］
［構成］
本発明の実施形態１に係る赤外線検出器は、基本的には、図１および図２を参照して前述した構造を有している（赤外線検出器１００）。
【００３３】
ただし、本実施形態では、意図的に、第１の障壁層１１および第２の障壁層１５に構造に関するばらつきが付与され、その結果として、複数の量子ドット１３１それぞれの電子の励起準位にばらつきが付与されている。以下、図４（ａ）および（ｂ）をも参照して、このことを、説明する。
【００３４】
第１の障壁層１１および第２の障壁層１５の厚さは、１ｎｍ程度の厚さ（平均値）に設定されている。通常、ナノメータオーダーでの厚さの制御が必要な半導体薄膜層は有機金属気相成長法や分子線エピタキシャル法等を用いて製造される。しかし、これらの精密な製造手法を用いたとしても完全に均一な原子層レベルで平坦な膜厚を有する半導体層を製造することは困難であり、少なくとも１原子層程度のばらつきが必ず存在している。
【００３５】
この不可避な厚さのばらつきは、ＡｌＧａＡｓ層が本実施形態の様に薄い場合は、無視できないほど大きな厚さのばらつきになる。このことは、ウエハ上で厚さが厚い領域と薄い領域を有する障壁層が形成されることを意味している。結果として、本実施形態による赤外線検出器は、量子ドットの励起準位ＥＬ２にばらつきが付与される。
【００３６】
例えば、本実施形態の場合、第１の障壁層１１および第２の障壁層１５は、ＡｌＧａＡｓであり、１原子層の厚さは０．３ｎｍ程度であるため、障壁層の厚さは少なくとも±３０％ばらついている。
【００３７】
また、障壁層が結晶成長によって形成される場合、障壁層が薄いことは、更なる表面段差の発生を引き起こす効果がある。通常、異種材料の接合成長界面では、その異種材料の接合に起因する結晶構造の不連続が発生し、転位やステップ（段差）が発生する場合がある。ただし、成長層厚が厚い場合は、成長層厚の増加と共にこれらの転位やステップは解消して平坦性が復活する。
【００３８】
これに対し、本実施形態のごとく成長層厚が薄い場合は、この薄い厚さに到達するまでの成長層の成長過程では表面の平坦性が十分には回復しない。よって、障壁層の厚さにばらつきが付与されることになる。その結果、励起準位ＥＬ２にばらつきが付与される。
【００３９】
さらに、成長時に結晶成長を破綻させない範囲で基板温度を降下させるか、あるいは、Ａｓの圧力を下げることによっても、成長層表面の段差、即ち、第１の障壁層１１および第２の障壁層１５の厚さのばらつきを増大させることができる。その結果、励起準位ＥＬ２にさらに大きなばらつきを付与することができる。
【００４０】
ところで、基底準位ＥＬ１の波動関数は、量子ドットに強く閉じ込められているため、量子ドットの外側の影響は受け難い。つまり、障壁層の厚さのばらつきの影響は小さく、基底準位ＥＬ１のばらつきは、量子ドットのばらつきで決まる値と変わらない。一方、励起準位ＥＬ２は障壁層周辺まで波動関数が広がっているため、障壁層の厚さのばらつきの影響を大きく受ける。結果として、図４（ｂ）の下のグラフに示されるように、励起準位ＥＬ２は量子ドットのばらつきで決まる量よりもずっと広がる。
【００４１】
図４（ｂ）は、赤外線検出器の波長応答を模式的に示したものである。図４（ｂ）中、上のグラフの破線で示すスペクトルは、比較例による赤外線検出器の波長応答を示している。この比較例は、障壁層が２ｎｍの厚さで、かつ、厚さのばらつきが±１５％の場合である。一方、図４（ｂ）中、下のグラフの実線で示すスペクトルは、本実施形態による赤外線検出器１００の波長応答を示している。上述したように、本実施形態による赤外線検出器１００は、障壁層が１ｎｍの厚さで、かつ、厚さのばらつきが±３０％の場合である。図４（ｂ）から明らかなように、本実施形態による赤外線検出器１００は、比較例に比べ、励起準位ＥＬ２のばらつきが大きくなることにより、検出波長帯域が広がっている。
【００４２】
続いて、本実施形態による赤外線検出器１００のより具体的な構造を説明する。
【００４３】
図２を参照すると、中間層１０は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓから成っている。中間層１０の上には、平均の厚さｄ（ｎｍ）のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成る第１の障壁層１１が形成されている。第１の障壁層１１の上には、平均の厚さ１〜２ｎｍ程度のＧａＡｓから成る第１の量子井戸層１２が形成されている。第１の量子井戸層１２の上には、厚さ５ｎｍ程度の量子ドット層１３が形成されている。量子ドット層１３は、高さ４ｎｍ程度のＩｎＡｓから成る複数の量子ドット１３１と、複数の量子ドット１３１間を満たす厚さ５ｎｍ程度のＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓから成る埋込層１３２とによって構成されている。尚、埋込層１３２は、必ずしも本例のごとく量子ドット１３１の高さよりも厚くなくてもよく、量子ドット１３１の高さと等しい厚さであってもよい。
【００４４】
量子ドット層１３の上には、平均の厚さ１〜２ｎｍ程度のＧａＡｓから成る第２の量子井戸層１４が形成されている。第２の量子井戸層１４の上には、平均の厚さｄ（ｎｍ）のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成る第２の障壁層１５が形成されている。第２の障壁層１５の上には、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓから成る中間層１０が形成されている。この一連の積層構造が例えば１０回繰り返して積層されることにより、図１に示された光吸収層４が構成されている。
【００４５】
図５は、中間層１０（組成ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）、第１の障壁層１１、第２の障壁層１５（組成ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、厚さｄ（ｎｍ））について、ｘ＝０．１８、ｙ＝０．０３にそれぞれ設定し、かつ、厚さｄ＝１ｎｍに設定した比較例としての構造Ａと、厚さｄ＝２ｎｍに設定した本実施形態による構造Ｂの波長応答スペクトルの測定結果を示す。
【００４６】
比較例としての構造Ａでは、５．５μｍ付近に検出ピーク波長があり、半値全幅は１．２μｍ程度である。一方、本実施形態による構造Ｂは、構造Ａに比べて長波長側に対しても感度を持ち、半値全幅が約２μｍに広がっている。また、本実施形態による構造Ｂの非検出能Ｄ＊のピーク値は、構造Ａに比べて低下してはいるものの、約２０％の低下にとどまっている。
【００４７】
この結果から、以下のことが分かる。即ち、比較例としての、障壁層の厚さが２ｎｍの構造Ａでは、原子層レベルでの障壁層の厚さのばらつきが、量子ドットが元来持っている不均一広がりと同程度か、それ以下である。このため、検出波長帯域の広がりとして見えていないと考えられる。一方、本実施形態による、障壁層の厚さが１ｎｍの構造Ｂでは、１原子層の厚さに対するばらつきが、構造Ａの２倍になる。これに伴って、励起準位ＥＬ２のばらつきが大きくなる。その結果、検出波長帯域が広がったと考えられる。
【００４８】
尚、本実施形態のごとく量子ドット層がＩｎＡｓから成り、障壁層がＡｌＧａＡｓから成り、また、量子井戸層がＧａＡｓから成る場合、障壁層および量子井戸層の少なくとも一方の平均の厚さは、量子ドットの高さの１／４以下であることが好ましい。
【００４９】
また、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから成る障壁層のＡｌ組成ｘ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓから成る中間層のＡｌ組成ｙについては、障壁層のＡｌ組成ｘが大き過ぎると、量子ドットに電子が強く閉じ込められてしまうと共に、結晶品質が低下するため、赤外線検出器の動作には適していない。よって、障壁層のＡｌ組成ｘは、０．２０以下であることが好ましい。尚、図５の構造Ｂでは、障壁層の厚さ１ｎｍ、Ａｌ組成ｘ＝０．１８である。また、障壁層のＡｌ組成ｘに中間層のＡｌ組成ｙが近過ぎると、厚さの薄い障壁層としての効果が低減してしまう。よって、障壁層のＡｌ組成ｘと中間層のＡｌ組成ｙとの差は０．１以上であることが望ましい（ｘ−ｙ≧０．１）。図５の構造Ｂでは、ｙ＝０．０３である。
【００５０】
このように、障壁層を１ｎｍ程度の厚さとすると共に、中間層や障壁層の組成を変えることにより、比検出能Ｄ＊の低減を抑えつつ、量子ドット型赤外線検出器の所望の検出波長帯域を得ることが可能となる。
【００５１】
本発明においては、障壁層および量子井戸層の少なくとも一方の平均の厚さが１ｎｍ以下であることが好ましい。尚、障壁層および量子井戸層の少なくとも一方の平均の厚さを１ｎｍ以下にしない場合には、厚さのばらつきの平均値が４原子層以上であることが好ましい。
【００５２】
［製造方法］
次に、図１、図２を参照して、本発明の実施形態１による赤外線検出器の製造方法を説明する。
【００５３】
半導体基板１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意し、分子線エピタキシャル装置内へ導入する。基板表面の薄い自然酸化膜を除去後、半導体基板１と同じＧａＡｓから成る緩衝層２を厚さ５００ｎｍ程度積層する。結晶成長時のＡｓの圧力は、１×１０−５Ｔｏｒｒの条件で行った。
【００５４】
引き続き、厚さが５００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓから成るｎ型の下部コンタクト層３、そして厚さ５０ｎｍのＡｌｙ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓから成るｉ型の中間層１０を積層する。
【００５５】
さらに、平均の厚さ１〜２ｎｍ程度のＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓから成る第１の障壁層１１、平均の厚さ１〜２ｎｍ程度のＧａＡｓから成る第１の量子井戸層１２、複数の量子ドット１３１と埋込層１３２とから成る量子ドット層１３の順に積層する。
【００５６】
複数の量子ドット１３１は、厚さが２〜３原子層程度に相当する分のＩｎＡｓを供給することによって形成される。この時、ＩｎＡｓとその直下にあるＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みにより、ＩｎＡｓが島状に３次元的に結晶成長し、量子ドット１３１が形成される。この結晶成長様式は、ＳＫ（Stranski-Krastanov）モードと呼ばれる。ＳＫモードでは、材料を供給するだけで複数の量子ドット１３１形成されるため、ＳＫモードで形成される量子ドットは、自己形成量子ドットとも呼ばれる。
【００５７】
尚、各量子ドット１３１の直径は２０〜３０ｎｍ程度、高さは４ｎｍ程度、また、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０１０程度である。
【００５８】
赤外線検出器として動作させるため、各量子ドット１３１には、予め電子が１個入っている必要がある。これを満たすため、ｎ型の不純物であるＳｉを量子ドットと同程度の面密度でドープする。
【００５９】
続いて、厚さ５ｎｍ程度のＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓから成る埋込層１３２を形成することにより、量子ドット層１３を形成する。尚、必要に応じて、インジウムフラッシュ法と呼ばれる工程により、量子ドット１３１の頭頂部を蒸発させ、量子ドット１３１の高さを埋込層１３２の厚さ以下にすることにより、複数の量子ドット１３１が第２の量子井戸層１４にまで飛び出ないように揃えてもよい。
【００６０】
その後、平均の厚さ１〜２ｎｍ程度のＧａＡｓから成る第２の量子井戸層１４を積層する。
【００６１】
続いて、平均の厚さ１〜２ｎｍ程度のＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓから成る第２の障壁層１５を積層し、さらに厚さが５０ｎｍのｉ型のＡｌｙ０．０３Ｇａ０．９７Ａｓから成る中間層１０を再び積層する。
【００６２】
上記の手順にしたがって第１の障壁層１１、第１の量子井戸層１２、量子ドット層１３、第２の量子井戸層１４、第２の障壁層１５、中間層１０を１０回程度繰り返し積層し、光吸収層４を形成する。
【００６３】
最後に、厚さが２００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓから成るｎ型の上部コンタクト層５を積層する。
【００６４】
上記製造方法において、量子ドットや量子井戸およびそれらの周辺構造を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等の他の結晶成長方法を用いてもよい。
【００６５】
続いて、紫外線リソグラフィー、ウエットエッチングまたはドライエッチング技術を利用して上部コンタクト層５、光吸収層４および下部コンタクト層３の一部を選択的にエッチングする。これにより下部コンタクト層３の表面の一部が露出する。
【００６６】
この選択エッチングによって分離された構造が赤外線検出器１００になる。尚、検出素子の受光面の大きさは、用途によって異なるが、典型的には、２０μｍ角〜５００μｍ角程度である。赤外線検出器はこの１素子のみで構成されてもよいし、このような素子を１列に、あるいは２次元的に配列させたアレイであってもよい。
【００６７】
次いで、上部コンタクト層５および下部コンタクト層３にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる上部電極６および下部電極７をそれぞれ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。
【００６８】
以上の工程により、本発明の実施形態１である赤外線検出器の基本構成が完成する。
【００６９】
［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２について説明する。
【００７０】
実施形態１では、障壁層や量子井戸層の平均の厚さを１ｎｍ程度以下とすることにより、相対的に、厚さのばらつきが無視できない構造を障壁層や量子井戸層に付与することにより、障壁層や量子井戸層の実効的な厚さのばらつきを意図的に作り出した。これによって、励起準位のばらつきを作り出し、その結果、赤外線検出器の検出波長帯域の広帯域化を、実施形態１では実現した。これに対し、本実施形態においては、同様の効果を、第１、第２の量子井戸層１２、１４（図２）ならびに第１、第２の障壁層１１、１５（図２）の少なくとも一方の組成のばらつきを意図的に作り出すことにより、赤外線検出器の検出波長帯域の広帯域化を実現する。
【００７１】
実施形態１でも述べたが、通常、ナノメータオーダーでの厚さの制御が必要な半導体薄膜層は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシャル法等を用いて製造される。これらの手法で通常の条件で結晶成長をさせた場合、製造された成長層の組成は、成長層の厚さが薄くなったとしてもほぼ均一である。
【００７２】
ところが、複数のIII族元素で構成されている化合物半導体の場合は、結晶成長時のＶ族の圧力を大きくしたり、成長温度を通常より大幅に下げたりすることにより、複数種のIII族元素が規則的に配列することが知られている（非特許文献２）。
【００７３】
第１のIII族元素をIIIＡ、第２のIII族元素をIIIＢとすると、通常、III族元素は、例えば、「・・・IIIＡ・IIIＡ・IIIＢ・IIIＡ・IIIＢ・IIIＢ・・・」の様に、III族のサイトにランダムに入るので規則性はない。
【００７４】
しかし、上記の条件、即ち、結晶成長時のＶ族の圧力を大きくしたり、成長温度を通常より大幅に下げたりすることを伴って製造すると、例えば「・・・IIIＡ・IIIＢ・IIIＡ・IIIＢ・IIIＡ・IIIＢ・・・」の様に、IIIＡとIIIＢとが交互に規則的に配列する。
【００７５】
また、このIII族元素の規則的な配列構造は、特に分子線エピタキシャル成長法を用いて行った場合には、成長層の面内全域に亘って均一に形成されることはなく、局所的に形成される。
【００７６】
また、III族元素が規則的に配列すると、通常の場合に比べてバンドギャップエネルギーが低下する現象がある。つまり、III族元素が局所的に規則的に配列されることにより、障壁層や量子井戸層のバンドギャップエネルギーにばらつきが発生する。その結果、量子ドットの励起準位のばらつきを引き起こすことができる。
【００７７】
さらに、このIII族元素の規則的な配列構造は、結晶成長層の表面の原子ステップ（段差）を形成核として発生する傾向がある。このため、実施形態１で述べた様な、原子オーダーのステップが多く存在している表面上に、十分に薄い障壁層や量子井戸層を結晶成長させた場合、より多くの箇所でIII族元素の規則的な配列構造が形成される。その結果、より大きな励起準位のばらつきを引き起こすことができる。
【００７８】
具体的には、以下の工程にしたがい赤外線検出器用の半導体ウエハを製造する。製造工程は、障壁層もしくは量子井戸層の結晶成長工程以外は、実施形態１で述べた工程と同じである。このため、以下では、量子井戸層の製造条件のみについて述べる。
【００７９】
ＩｎＧａＡｓから成る第１の量子井戸層１２（図２）の結晶成長前までの工程、ならびに、同じくＩｎＧａＡｓから成る第２の量子井戸層１４（図２）の結晶成長よりも後の工程は、実施形態１と同様に行い、半導体ウエハの結晶成長を行った。
【００８０】
さて、第１の量子井戸層１２、第２の量子井戸層１４の各成長直前には、Ａｓの圧力を２．５×１０−５Ｔｏｒｒに上昇させ、基板温度を３７０℃に下降させた後に、第１の量子井戸層１２、第２の量子井戸層１４の各結晶成長を行った。
【００８１】
第１の量子井戸層１２、第２の量子井戸層１４の各成長後は、第１の量子井戸層１２、第２の量子井戸層１４の各成長前の成長条件に戻してから、結晶成長を続行した。
【００８２】
尚、第１、第２の量子井戸層１２、１４以外の成長は、実施形態１と同様の工程にしたがい、赤外線検出器の製造を行った。
【００８３】
以上説明した工程により製造された赤外線検出器の波長応答は、図４（ｂ）の下のグラフに模式的に示したものと同様に、検出波長帯域の広帯域化が確認された。これは、量子井戸層の面内に局所的に形成されたIII族元素の規則的な配列構造、換言すれば、量子井戸層に複数種類の組成の分布を付与することにより、励起準位ＥＬ２のばらつきが発生したためである。
【００８４】
尚、III族元素の規則的な配列構造による赤外線検出器の広帯域化は、この配列構造を本実施形態で述べたごとく量子井戸層に具備させた場合に効果が大きい。ただし、この配列構造を障壁層に具備させてもよい。
【００８５】
また、量子井戸層や障壁層の材料についても、ＩｎＧａＡｓ以外に、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＡｓ等であっても構わない。さらに、III族元素の種類も、２種類に留まることなく、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の３種類以上であっても構わない。さらにまた、III族元素だけではなく、ＧａＡｓＳｂの様なＶ族元素に関しても同様に規則的な配列構造、即ち、複数種類の組成の分布を付与することにより、赤外線検出器の広帯域化を図ることができる。
【００８６】
［実施形態３］
実施形態１、２では、励起準位ＥＬ２に注目し、障壁層もしくは量子井戸層に厚さもしくは組成のばらつきを付与して励起準位のばらつきを持たせることによって検出波長帯域を広帯域化させた。
【００８７】
実施形態３では、基底準位エネルギーのばらつきを利用した検出波長帯域の広帯域化の手法に関する。
【００８８】
赤外線検出器の検出波長は、量子ドットの電子の励起準位と基底準位とのエネルギー差で決定されるため、励起準位ばらつきのみならず、基底準位のばらつきによっても広帯域化が可能である。
【００８９】
基底準位のばらつきは、主に、量子ドット層の構造を制御することによって実現可能である。本実施形態では、量子ドット層に含まれる複数の量子ドットの高さに意図的に原子層単位のばらつきを付与することにより、図６（ａ）に示すように基底準位ＥＬ１にばらつきを持たせることを特徴とする。
【００９０】
本実施形態においては、意図的に量子ドットの高さに原子層単位のばらつきを付与している。通常、量子ドットの大きさや形状は、ある幅でばらついており、これは不均一広がりと呼ばれる。この不均一広がりにより、量子ドットの基底準位がばらつく。この基底準位のばらつきが、赤外線検出器の検出波長帯域を決める要素の一つとなる。
【００９１】
ところで、量子ドットの高さのばらつきを減らす手法として、インジウムフラッシュ法と呼ばれる手法がある。インジウムフラッシュ法は、量子ドットの結晶成長後、量子ドットの高さよりも低い所定の高さ（厚さ）の部分キャップ層としての埋込層を結晶成長させ、部分キャップ層から量子ドットの頭頂部の一部を露出させ、さらに連続して熱処理を行うことにより、量子ドットの部分キャップ層から飛び出た頭頂部を蒸発させる手法である。通常、部分キャップ層の成長は、量子ドットの成長温度と同程度の温度で行われ、成長層の厚さは数ｎｍ程度であり、その後の熱処理は量子ドットの成長温度以上、好ましくはインジウムが完全に蒸発する５００℃以上まで加熱が行われる。その結果、量子ドットの実効的な高さは揃えられる。その結果、基底準位のばらつきが抑制される。即ち、インジウムフラッシュ法工程に際し、上記工程にしたがうと、均一な高さの量子ドットを製造可能である。
【００９２】
これに対し、本願発明においては、インジウムフラッシュ法工程に際し、部分キャップ層の成長温度ならびに熱処理温度を通常よりも大幅に下げて製造することにより、量子ドットの高さに原子オーダーのばらつきを意図的に付与する。
【００９３】
具体的には、以下のようにして、量子ドットを形成した。
【００９４】
まず、実施形態１の製造方法と同じ工程にしたがい、ＧａＡｓから成る半導体基板１（図１）上に、分子線エピタキシャル法により、緩衝層２（図１）、下部コンタクト層３（図１）、中間層１０（図２）、第１の障壁層１１（図２）、第１の量子井戸層１２（図２）までの結晶成長工程を行う。
【００９５】
さらに、第１の量子井戸層１２上に複数の量子ドット１３１を形成する。量子ドット１３１は、ＩｎＡｓを２．６原子層厚分、基板温度約４８０℃で供給することによって自己形成される。典型的な量子ドットの直径は２０〜３０ｎｍ程度、高さ４ｎｍ程度であり、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０１０程度である。
【００９６】
その後、基板温度を４２０℃まで降下させ、厚さ２ｎｍのＧａＡｓから成る部分キャップ層としての埋込層１３２を結晶成長させる。
【００９７】
その後、基板温度を量子ドット１３１（図２）の成長温度である４８０℃まで上昇させ、連続して、第２の量子井戸層１４（図２）、第２の障壁層１５（図２）、中間層１０（図２）を成長させ、これらの工程を繰り返すことにより、光吸収層４（図１）を製造し、以後は実施形態１と同様にして、赤外線検出器を製造する。
【００９８】
本実施形態においては、部分キャップ層としての埋込層の成長温度を、量子ドットの成長温度よりも５０℃以上下げると共に、熱処理温度を高くても量子ドットの成長温度程度までに留めることにより、量子ドットの高さを原子オーダーでばらつかせることに成功した。その結果、基底準位のばらつきを増大させることができた。
【００９９】
図７（ａ）に、通常の工程にしたがって製造された比較例における量子ドット層からのフォトルミネッセンス発光特性を示す。一方、図７（ｂ）に、本実施形態にしたがって製造された量子ドット層１３からのフォトルミネッセンス発光特性を示す。
【０１００】
本実施形態の工程にしたがい量子ドットを結晶成長させることにより、量子ドットの基底準位のばらつきを示す指標であるフォトルミネッセンス発光の半値幅は、通常工程にしたがって製造された比較例における量子ドット層が３０〜４０ｍｅＶ程度のばらつきであった（図７（ａ））のに対し、７０〜８０ｍｅＶ程度のばらつきであった（図７（ｂ））。即ち、本実施形態により製造された量子ドット層の基底準位のばらつきは、比較例の２倍程度に広がった。
【０１０１】
本発明において、量子ドットそれぞれの電子の基底準位のばらつきを示すバンド間遷移エネルギーは、６０ｍｅＶ以上であることが好ましい。
【０１０２】
ところで、図７（ｂ）に示すフォトルミネッセンス発光特性を見ると、半値幅が比較例（図７（ａ））の約２倍に広がっているが、そのスペクトル形状を詳細に見ると、図７（ｂ）中、矢印で示される複数のピークを有する発光の重ね合わせであることが分かる。
【０１０３】
これらの複数の発光ピークは、約３０ｍｅＶ間隔であり、これは概ね、それぞれ複数の量子ドットを含み、高さが原子層単位で異なる量子ドット群からの発光に相当する。このような量子ドット群の例を、図８に模式的に示す。
【０１０４】
図８に模式的に示された４種類の量子ドット群１３１−１〜１３１−４は、それぞれ複数の量子ドットを含み、かつ、各高さ（ＨＱ１〜ＨＱ４）が原子層単位で相互に異なっており、量子ドット層の面内に分布している。
【０１０５】
通常の手法にしたがって形成された量子ドットの高さのばらつきは、単一の高さを中心に揃う傾向にある。これに対し、インジウムフラッシュ法を利用して形成した本実施形態による量子ドットは、図８に模式的に示すように、高さが原子層単位で相互に異なる量子ドット群１３１−１〜１３１−４の分布となっている。このような量子ドット群における量子ドットの発光波長は、主にその高さ（厚さ）の違いに応じて変化する。このため、大きい分布、即ち、相互に異なる高さの量子ドット群の種類が多いほど、基底準位に広いばらつきを持たせる。その結果、赤外線検出器の検出波長帯域を広帯域化せしめる効果を奏する。
【０１０６】
量子ドットの基底準位のばらつきが増大した場合の電子の基底準位と励起準位の状態は、図６（ａ）に模式的に示すものとなる。つまり、実施形態１、２の場合は、励起準位ＥＬ２がばらつくことによって赤外線検出波長帯域が広帯域化したが、本実施形態の場合は、量子ドットの基底準位がばらつくことにより、図６（ｂ）の下のグラフに示すように赤外線検出波長帯域が広帯域化する。
【０１０７】
［実施形態４］
本実施形態では、実施形態３と同様に、量子ドット層の構造を特別な形状にすることによって量子ドットの基底準位にばらつきを持たせたことを特徴とする。そのために、量子ドットを形成した直後に連続して短時間の熱処理を行うことにより、量子ドットの高さにばらつきを付与している。
【０１０８】
本発明の実施形態において形成する量子ドットは、熱によって拡散し易い特性を有している。特に、量子ドットの結晶成長直後に量子ドット成長時の基板温度以上に基板温度を上昇せしめると、量子ドットを構成する原子が周辺に拡散し、量子ドットの形状が崩れてくる。
【０１０９】
通常は、高さを含む形状が均一な量子ドットが必要であるため、量子ドットの成長後は、数１０秒程度、量子ドットの成長温度で保持することにより、表面に存在している余分な供給原料を十分に拡散させ、既に形成済みの量子ドットに取り込ませる。これにより、高さの揃った均一な量子ドットを得ている。
【０１１０】
しかし、本実施形態においては、量子ドット１３１（図２）の結晶成長後、直ちに基板（図２）温度を量子ドット成長時よりも少し上昇せしめ、意図的に量子ドット１３１の形状を崩壊させ、量子ドット１３１の高さにばらつきを付与する。ただし、あまり基板温度を上げ過ぎると、量子ドット１３１が全て崩壊してしまう。このため、上昇させる温度は５℃以内程度、温度上昇させている時間は１０秒以内程度が好ましい。
【０１１１】
この熱処理を伴って形成された複数の量子ドット１３１を含む量子ドット層１３（図２）を形成した後は、実施形態１と同様に、第２の量子井戸層１４（図２）、第２の障壁層１５（図２）、中間層１０（図２）等を結晶成長させ、赤外線検出器用のウエハを完成する。
【０１１２】
［実施形態５］
本実施形態では、量子ドット層の構造を特別な形状にすることにより、実施形態３、４と同様に、量子ドットの基底準位にばらつきを持たせたことを特徴とする。そのために、赤外線検出器用のウエハに対して急速熱処理を施すことにより、量子ドットの高さのばらつきを作り出している。
【０１１３】
通常、量子ドットに用いられている材料であるＩｎＡｓの場合、急速熱処理、即ち、量子ドットの結晶成長温度よりも高い温度まで短時間に加熱すると、III族元素であるＩｎが量子ドット中の本来の位置から周囲へ拡散して量子ドット層とそれに接する層との界面がぼやけた構造となり、閉じ込め効率が減少する。その結果、急速熱処理を施していない場合に比べ、基底準位のばらつきが増大する。
【０１１４】
具体的には、次のような工程にしたがい、赤外線検出器用半導体ウエハを製造する。
【０１１５】
まず、実施形態１の製造方法と同じ工程にしたがい、ＧａＡｓから成る半導体基板１（図１）上に、分子線エピタキシャル法により、緩衝層２（図１）、下部コンタクト層３（図１）、中間層１０（図２）、第１の障壁層１１（図２）、第１の量子井戸層１２（図２）までの結晶成長工程を行い、さらにＩｎＡｓから成る量子ドット層１３（図２）を積層する。
【０１１６】
量子ドット層１３は、ＩｎＡｓを２．６原子層分、基板温度約４８０℃で供給することによって自己形成される。典型的な量子ドット１３１（図２）の直径は２０〜３０ｎｍ程度、高さは４ｎｍ程度であり、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０１０程度である。
【０１１７】
量子ドット１３１の結晶成長後、実施形態４と同様に、直ちに基板温度を３℃上昇させ、１０秒間そのまま保持した。この工程により、量子ドットの高さに大きなばらつきを付与することができる。
【０１１８】
この熱処理を伴って形成された複数の量子ドット１３１を含む量子ドット層１３（図２）を形成した後は、実施形態１と同様に、第２の量子井戸層１４（図２）、第２の障壁層１５（図２）、中間層１０（図２）等を結晶成長させ、赤外線検出器用のウエハを完成する。
【０１１９】
次に、急速熱処理を行う。結晶成長後の赤外線検出器用のウエハを、窒素で満たしたチャンバ中に導入し、赤外線加熱ランプによって急速に加熱し、その後急速に冷却する。
【０１２０】
加熱温度は、結晶成長時の最高到達温度である６００℃以上が望ましいが、それ以下でも同様の効果は期待できる。また、上限温度は、構成Ｖ族元素であるＡｓが結晶サイトから加熱によって脱離しない温度までが好ましい。実際には、短時間であれば、８００℃程度までの加熱が可能である。
【０１２１】
ウエハの急速熱処理を伴って製造する赤外線検出器である試料（本実施形態）と、ウエハの急速熱処理を伴わずに製造する赤外線検出器である試料（比較例）とを製造し、それらの赤外線検出特性を測定した。図９に、測定結果を模式的に表したものを示す。
【０１２２】
図９（ａ）は急速熱処理を施していない試料（比較例）の特性を示し、図９（ｂ）は８００℃で２分間の急速熱処理を施した試料（本実施形態）の特性を示し、図９（ｃ）は８００℃で４分の急速熱処理を施した試料（本実施形態）の特性を示している。
【０１２３】
図９（ａ）〜（ｃ）から、感度特性として、光応答性の最大値を中心に如何程の波長範囲（Δλ）に亘って赤外線検出器としての光応答性があるのかが分かる。即ち、急速熱処理を行っていない比較例（図９（ａ））、８００℃で２分間の急速熱処理を施した本実施形態（図９（ｂ））、８００℃で４分の急速熱処理を施した本実施形態（図９（ｃ））の順に、赤外線検出感度帯域の広帯域化が確認された。
【０１２４】
［変形例］
以上、本発明の実施形態１〜５について具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内であれば、種々の変形が可能である。
【０１２５】
例えば、各々の実施形態１〜５に記載されている手法は単独でも効果があるが、複数を組み合わせることにより、更に大きな効果を奏する。即ち、少なくとも、実施形態１および２の少なくとも一方と、実施形態３〜５の少なくとも１つとを組み合わせることにより、図１０（ａ）に示すように、量子ドットの基底準位ＥＬ１および励起準位ＥＬ２双方のばらつきを拡大することができる。その結果として、図１０（ｂ）の上のグラフに示した比較例としての通常の赤外線検出器に比べ、図１０（ｂ）の下のグラフに示すように、検出波長帯域の大幅な広帯域化を実現可能である。
【０１２６】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
【０１２７】
（付記１）複数の量子ドットを含む量子ドット層と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層と、前記対の障壁層を挟む対の中間層とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする赤外線検出器。
【０１２８】
（付記２）前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、
平均の厚さが前記量子ドットの高さの１／４以下であること、
厚さのばらつきが所定の大きさ以上であること、ならびに、
構成元素組成が空間的にばらついていること
のうちの少なくとも１つが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
【０１２９】
（付記３）前記障壁層および前記量子井戸層の少なくとも一方に、
平均の厚さが１ｎｍ以下であること、もしくは、
厚さのばらつきの平均値が４原子層以上であること
が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
【０１３０】
（付記４）前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、当該面内で複数種類の組成の分布が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
【０１３１】
（付記５）前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に付与された組成分布は、該量子井戸層および該障壁層の少なくとも一方の面内に形成された複数種類のIII族元素が規則的に配列した構造によって構成されることを特徴とする付記４に記載の赤外線検出器。
【０１３２】
（付記６）前記量子ドット層に含まれる前記複数の量子ドットに、所定の大きさ以上の高さのばらつきが付与され、
それにより、該量子ドットそれぞれの電子の基底準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
【０１３３】
（付記７）前記複数の量子ドットに付与された高さのばらつきは、それぞれ複数の量子ドットを含み、原子層単位で高さが相互に異なる複数の量子ドット群の分布によって構成されることを特徴とする付記６に記載の赤外線検出器。
【０１３４】
（付記８）前記量子ドットそれぞれの電子の基底準位のばらつきを示すバンド間遷移エネルギーが、６０ｍｅＶ以上であることを特徴とする付記６乃至７のいずれかに記載の赤外線検出器。
【０１３５】
（付記９）前記量子ドットは、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓから成り、
前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓから成り、
前記障壁層は、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓから成ることを特徴とする付記１乃至８のいずれかに記載の赤外線検出器。
【０１３６】
（付記１０）複数の量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層を形成する工程と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層を形成する工程と、前記対の障壁層を挟む対の中間層を形成する工程とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器の製造方法であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つに対して、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきを付与することにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを持たせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【０１３７】
（付記１１）前記量子ドット層からのフォトルミネッセンス発光が、前記複数の量子ドット群それぞれの高さに起因するマルチピーク発光を示すことを特徴とする付記７に記載の赤外線検出器。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明は、中波長赤外線および長波長赤外線（概ね３〜１４μｍ）領域における、熱検出やガス検出などの環境計測に用いられる赤外線検出器に利用可能である。
【符号の説明】
【０１３９】
１    半導体基板
２    緩衝層
３    下部コンタクト層
４    光吸収層
５    上部コンタクト層
６    上部電極
７    下部電極
１０    中間層
１１    第１の障壁層
１２    第１の量子井戸層
１３    量子ドット層
１３１  量子ドット
１３２  埋込層
１３１−１〜１３１−４  量子ドット群
１４    第２の量子井戸層
１５    第２の障壁層
１６    電子
Ｘ    励起光（検出対象光）
【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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