(57)【要約】【課題】高い受光感度と、優れた量子ドットの量子効率とを両立した赤外線検出素子を提供する。【解決手段】本発明による赤外線検出素子は、複数の量子ドット４３を有する量子ドット層４２を含む光吸収層を有している。複数の量子ドット４３はそれぞれ、第１の半導体材料から成るナノドット４３１と、第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成り、ナノドット４３１底部の周囲に２分子層以上の厚さで沿層方向に延在する裾部４３２とから成るナノ構造体の形態を呈している。【選択図】図２
2017147322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子ドットを有する量子ドット層を含む光吸収層を有し、
前記複数の量子ドットはそれぞれ、
第１の半導体材料から成るナノドットと、
前記第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成り、前記ナノドット底部の周囲に２分子層以上の厚さで沿層方向に延在する裾部とから成るナノ構造体の形態を呈し、
前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出することを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記第１の半導体材料および前記第２の半導体材料が、化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記第１の半導体材料および前記第２の半導体材料が、
ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、
ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、
ＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓＰ、
ＩｎＰおよびＧａＩｎＰ、
ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、もしくは、
ＧａＡｓおよびＧａＮＡｓであることを特徴とする請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記裾部が、前記ナノドットを中心とした円板形状もしくは楕円板形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記裾部が楕円板形状である場合に、該裾部の長軸に平行な偏光成分に対して高い感度を持つことを特徴とする請求項４に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記光吸収層は、半導体薄膜層を介して積層された複数の前記量子ドット層を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記量子ドットの前記裾部それぞれの平面形状、厚さおよび組成の少なくともいずれか１つが、沿層方向におけるｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に沿って漸次異なっており、これにより、第１の電子準位と第２の電子準位とのエネルギー差に相当する検出波長が、前記軸方向に沿って漸次異なっていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記量子ドットの前記裾部それぞれの沿層方向の最大寸法の平均値ｄＮＳが、該量子ドットの面内個数密度ｎに対し、ｄＮＳ＜１／（２√ｎ）であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の赤外線検出素子の製造方法であって、
半導体基板上に前記第１の半導体材料から成る複数の前記ナノドットを第１の基板温度で形成する工程と、
各前記ナノドット上に第３の半導体材料を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給し、直ちに該第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させることにより、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の構成元素の混合体である前記第２の半導体材料から成る前記裾部を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項７または８に記載の赤外線検出素子の製造方法であって、
半導体基板上に前記第１の半導体材料から成る複数の前記ナノドットを第１の基板温度で形成する工程と、
各前記ナノドット上に第３の半導体材料を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給し、直ちに該第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させることにより、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の構成元素の混合体である前記第２の半導体材料から成る前記裾部を形成する工程とを有し、
前記裾部形成工程において、前記第３の半導体材料供給時の前記第２の基板温度、前記第３の半導体材料の供給量、前記第３の半導体材料供給時の雰囲気ならびに前記第２の基板温度から第３の基板温度まで降下させる速度のうちの少なくとも一つの条件の設定により、前記裾部それぞれの平面形状、厚さおよび組成の少なくともいずれか１つを、沿層方向におけるｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に沿って漸次異ならせることを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出素子、特に、光吸収層に量子ドットを含む赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱源の検知や温度測定、特定のガス検知、また暗視用カメラのセンサなどを目的として、赤外線検出器およびそれを利用した赤外領域における光検出の技術が近年注目を集めている。赤外線検出器を構成する赤外線検出素子としては、用途に応じて、単一の素子、あるいは、複数の素子を１次元や２次元アレイ状に配列したもので構成される。
【０００３】
この種の赤外線検出素子の１つとして、光吸収層に量子ドットを含む量子ドット赤外線検出素子（Quantum Dot Infrared Photodetector：ＱＤＩＰ）がある。この素子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次元的に埋め込まれた構造であり、量子ドット内部の電子および正孔はその強い閉じ込め効果により離散的なエネルギー準位を持つ。それらの準位のうち、伝導帯に存在する複数の電子のサブバンド準位を利用し、サブバンド間のエネルギー差に相当するエネルギーを持つ赤外線を検知するのがＱＤＩＰである。
【０００４】
図１に、ＱＤＩＰを有する赤外線検出器の基本的な構造例を示す。図１を参照すると、赤外線検出器２００は、ＱＤＩＰである赤外線検出素子１００と、赤外線検出素子１００に適切な電圧を印加する電圧源６０１と、入射赤外線ＩＲを吸収することで赤外線検出素子１００に生じる電気伝導度の変化を検出する電流計６０２とを有している。
【０００５】
ＱＤＩＰはその特性上、一般的に波長に対して離散的な吸収ピークおよび検出感度を持つ。熱検知においては温度に依存したスペクトルの特定を目的として、またガス検知においてはガスの物質に依存した特定のスペクトルを抽出するため、ＱＤＩＰには目的に即した検知を行うため、複数の波長での大きな吸収ピーク、すなわち多波長での波長選択性が求められる。
【０００６】
ＱＤＩＰは光照射に伴う電気伝導度の変化を検出する光伝導型の赤外線検出素子であり、波長λにおける受光感度Ｒは、次の式１のように現される。
【数１】
2017147322.tif 000003
【０００７】
ここでηは量子効率、ｇは光伝導利得、ｈはプランク定数、ｅは素電荷、ｃは光速である。ＱＤＩＰにおいて所望の波長に対して高感度な素子を実現するためには、特定波長における量子効率を向上させると共に、高い光伝導利得をもった構造が必要となる。
【０００８】
ＱＤＩＰを用いて検出波長の制御を行う技術が、例えば非特許文献１に開示されている。非特許文献１によれば、ＱＤＩＰの構成要素の１つである量子ドットが量子井戸内に存在するＤｏｔ−ｉｎ−Ｗｅｌｌ（ＤＷＥＬＬ）構造を採用し、量子井戸の厚さを変化させることで検知波長を変化させている。
【０００９】
また、特許文献１には、光吸収層である量子ドットを形成し、半導体層で埋め込んだ後、熱処理により量子ドットを全周囲方向へ拡散させ、周囲の半導体層との中間組成を有する中間層を形成した赤外線検出素子が開示されている。特許文献１の技術においては、疑似的に量子ドットの全周囲に薄い量子井戸層を形成し、非特許文献１と同様の効果を持たせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−１０９４２０号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】S. Krishnaほか、APPLIED PHYSICS LETTERS  第83巻、14号、2745〜2747頁（2003年発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
非特許文献１に開示されているＱＤＩＰでは、量子ドットの周辺に量子井戸構造を製造し、量子井戸の厚さを変化させることでの検知波長の制御が可能なことが確認されている。しかし、光照射によって量子ドットおよび量子井戸の束縛状態から伝導帯連続状態へと抜け出た電子が、量子ドットが形成されている領域以外の量子井戸層で再び捕獲されて電子の寿命が短くなることにより、光伝導利得が低下し、結果として受光感度が上がらないといった問題がある。
【００１３】
また、特許文献１に開示された赤外線検出素子の構造によれば、疑似的に量子ドットの周辺のみに量子井戸層が形成されていることにより、受光感度の向上が期待できる。しかし、疑似的な量子井戸層が全方位方向へほぼ均一に形成されているため、量子井戸層が無い場合に比べて面内方向の量子ドット全体の量子効率が低下してしまうという問題がある。
【００１４】
それ故、本発明の目的は、高い受光感度と、優れた量子ドットの量子効率とを両立した赤外線検出素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施態様によれば、複数の量子ドットを有する量子ドット層を含む光吸収層を有し、前記複数の量子ドットはそれぞれ、第１の半導体材料から成るナノドットと、前記第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成り、前記ナノドット底部の周囲に２分子層以上の厚さで沿層方向に延在する裾部とから成るナノ構造体の形態を呈し、前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出することを特徴とする赤外線検出素子が得られる。
【００１６】
本発明の他の実施態様によれば、前記赤外線検出素子の製造方法であって、半導体基板上に前記第１の半導体材料から成る複数の前記ナノドットを第１の基板温度で形成する工程と、各前記ナノドット上に第３の半導体材料を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給し、直ちに該第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させることにより、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の構成元素の混合体である前記第２の半導体材料から成る前記裾部を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高い受光感度と、優れた量子ドットの量子効率とを両立した赤外線検出素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態による赤外線検出器をも含む、赤外線検出器の基本的な構造例を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態１による赤外線検出素子における量子ドット層を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は透視的に示した上面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態１による赤外線検出素子の製造方法、特に、量子ドット層の製造方法を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態による赤外線検出素子の製造装置である分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置の概略図である。
【図５】本発明の実施形態による赤外線検出素子の動作原理を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施形態による赤外線検出素子の動作原理を説明するための概念図である。
【図７】本発明の実施形態２による赤外線検出素子における量子ドット層を示す模式図であり、（ａ）はｘ方向に沿った断面図、（ｂ）は透視的に示した上面図、（ｃ）はｙ方向に沿った断面図である。
【図８】（ａ）は本発明の実施形態２による赤外線検出素子における量子ドット層の原子力間顕微鏡による表面画像であり、（ｂ）は（ａ）に示された量子ドットの長手方向に対応した模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態による赤外線検出素子の動作原理を説明するための概念図である。
【図１０】本発明の実施形態３による赤外線検出素子の製造方法を説明するための模式図である。
【図１１】本発明の実施形態３による赤外線検出素子の製造方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による赤外線検出素子は、量子ドットを含む少なくとも一層の量子ドット層を有する光吸収層を有し、量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出素子である。
【００２０】
特に、本発明において、量子ドットは、第１の半導体材料から成るナノドットと、第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成り、ナノドット底部の周囲に２分子層以上の厚さで沿層方向に延在する裾部とから成るナノ構造体の形態を呈している。
【００２１】
尚、裾部の厚さは、単なる表面荒れとは異なる有意な厚さとしての２分子層以上である一方、裾部がナノドットの全表面を覆うことがないようにナノドットの高さ未満の厚さであることが好ましい。
【００２２】
上記の特徴的な構成により、面内方向の量子効率の低下を伴うこと無しに、赤外線検出素子の受光感度向上を図ることができる。さらに、本発明による赤外線検出素子は、受光感度の向上に加え、量子ドットの量子効率を低下させることなく、かつ、波長制御が可能である。
【００２３】
即ち、本発明による赤外線検出素子は、高い受光感度と、優れた量子ドットの量子効率とを両立し得る。
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。
【００２５】
［実施形態１］
［構成］
ＱＤＩＰを有する赤外線検出器の基本的な構造を示す図１を参照すると、本実施形態による赤外線検出器２００は、赤外線検出素子１００と、下部電極７と、上部電極８と、電圧源６０１と、電流計６０２とを有している。
【００２６】
赤外線検出器２００は、上部電極８と下部電極７との間に電圧源６０１を用いて適切な電圧を印加し、後述する光吸収層４が入射赤外線ＩＲを吸収することで生じる電気伝導度の変化を電流計６０２によって検出する。
【００２７】
赤外線検出素子１００は、例えば半絶縁性ＧａＡｓから成る半導体基板１と、半導体基板１と同じ半導体材料から成る緩衝層２と、例えばｎ型ドープされたＧａＡｓから成る下部コンタクト層３と、光吸収層４と、上部コンタクト層５とを有している。
【００２８】
光吸収層４は、ノンドープのＧａＡｓから成るｉ型の中間層４１Ａと、量子ドット層４２とが交互に複数積層されて成る。このように、光吸収層４が、複数の積層された量子ドット層４２を有することにより、入射赤外線ＩＲの吸収効率が向上される。
【００２９】
図２（ａ）および（ｂ）をも参照すると、各量子ドット層４２は、中間層４１Ａ上に複数形成された量子ドット４３と、中間層４１Ａと同じ組成の半導体薄膜層４１Ｂとを有している。
【００３０】
量子ドット４３は、第１の半導体材料から成るナノドット４３１と、ナノドット底部の周囲に沿層方向に延在し、第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成る２分子層以上の厚さを有する裾部４３２とから成るナノ構造体の形態を呈している。
【００３１】
裾部４３２は、ナノドット４３１を中心とする円板形状を呈している。
【００３２】
また、裾部４３２は、ナノドット４３１の下方の周囲にのみ形成されている。尚、裾部４３２の厚さは、ナノドット４３１の高さ未満であることが好ましい。これは、裾部がナノドットの高さを超えて形成されていると、入射赤外線ＩＲの吸収効率が低下するからである。
【００３３】
量子ドット４３を構成する第１の半導体材料および第２の半導体材料は、半導体材料であり、特に本発明のごとく光半導体素子へ適用する場合は一般的に化合物半導体である。化合物半導体である第１の半導体材料および第２の半導体材料の組み合わせとしては、例えば、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰおよびＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ等が挙げられる。これらの組み合わせにおいて、第１の半導体材料の構成元素は必ず第２の半導体材料の構成元素に含まれる。
【００３４】
［製造方法］
以下、本実施形態による赤外線検出素子の製造方法、特に、図２（ａ）および（ｂ）に示された量子ドット層４２における量子ドット４３の形成方法を中心に説明する。
【００３５】
本製造方法では、図４に示される分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置３００を用いる。図４を参照すると、半導体基板１として、面方位が（００１）面の半絶縁性ＧａＡｓ基板を用意し、この基板を真空チャンバ３１０内の基板ホルダ３２０に装着する。基板ホルダ３２０は、図示しないヒータを介して半導体基板１を高温にすることができると共に、供給される材料が基板上で均一になるように、半導体基板１を回転方向ｒ３２０に回転可能な回転機構が付与されている。以下、特に記載の無い場合には基板回転を行う。
【００３６】
また、本例では、第１材料供給器３３１からはIII族材料であるＩｎが第１の半導体材料の一部として、第２材料供給器３３２からはIII族材料であるＧａが第３の半導体材料の一部として、第３材料供給器３３３からはＶ族材料であるＡｓが第１の半導体材料の残部、ならびに、第３の半導体材料の残部として、それぞれ供給される。尚、これら３つの供給器から、本発明の量子ドットにおける裾部の材料である第２の半導体材料自体が供給されるわけではない。
【００３７】
さて、ＧａＡｓから成る半導体基板１（図１）の温度を第３材料供給器３３３（図４）からＶ族材料であるＡｓを照射しながら、６２０℃まで一時的に上昇させることによって半導体基板１上に形成された自然酸化膜を除去する処理を行った後、５８０℃程度に基板温度を設定して厚さ５００ｎｍの緩衝層２（図１）を積層する。緩衝層２は、半導体基板１と同じＧａＡｓから構成される。
【００３８】
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で構成されるｎ型の下部コンタクト層３（図１）を積層する。
【００３９】
次に、光吸収層４（図１）を形成する。
【００４０】
まず、下部コンタクト層３上に、厚さ５０ｎｍのＧａＡｓで構成されるｉ型のＧａＡｓから成る中間層４１Ａ（図１）を積層する。
【００４１】
次に、量子ドット層４２（図１、図２）の形成方法を、図３（ａ）〜図３（ｄ）を参照して説明する。
【００４２】
量子ドット層４２中に含まれる量子ドット４３は、中間層４１Ａ上に、第１の半導体材料から成る複数のナノドット４３１を第１の基板温度で形成する工程と、ナノドット４３１上に第３の半導体材料である半導体材料を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給し、直ちに第２の基板温度より低い第３の基板温度まで降下させる工程により、第１の半導体材料と第３の半導体材料の構成元素の混合体から成る第２の半導体材料から成る裾部４３２を形成する工程により製造される。
【００４３】
即ち、中間層４１Ａ（図１）の形成後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、第３材料供給器３３３からＡｓを照射しながら、第１材料供給器３３１（図４）からＩｎを厚さが２分子層程度となるように供給し、第１の半導体材料としてのＩｎＡｓから成るナノドット４３１を形成する。この時、本来は供給されたＩｎＡｓは、中間層４１Ａ上に２次元的に堆積するはずであるが、ＩｎＡｓとＧａＡｓ（中間層４１Ａ）との格子定数の大きな違いから発生する歪みにより、ＩｎＡｓは、２次元薄膜ではなく３次元島構造に成長する。その結果、図３（ａ）に示されるように、ナノドット４３１が平面的上に並んで形成される。この成長様式は、ＳＫ（Stranski-Krastanov）モードと呼ばれる。ナノドットの典型的な直径は３０〜４０ｎｍ、高さ１０ｎｍ程度であり、１平方センチメートルあたりの数密度は１×１０９程度である。
【００４４】
ナノドット４３１を成長させ、同じ成長温度で６０秒間待機した後、材料格納部の温度を３４０℃に保持する一方、材料放出部の温度が９００℃に保持された第３材料供給器３３３からクラッキングされたＡｓ２を供給することによって得られるＡｓ２雰囲気下で、第２材料供給器３３２（図４）から厚さ１分子層相当分量のＧａを供給することにより、図３（ｂ）に示されるように１分子層分の第３の半導体材料としてのＧａＡｓを１分子層分だけ供給した後、直ちに連続して基板温度を毎分５０℃の速度で５０℃程度下げる。この工程により、図３（ｃ）に示されるように、ナノドット４３１の平均高さは５〜７ｎｍ程度まで減少する一方、ナノドット４３１底部周辺のみに、厚さ１ｎｍ程度、幅数１０ｎｍ程度の第２の半導体材料としてのＩｎＧａＡｓから成る、ナノドット４３１を中心とした円板形状を呈する裾部４３２が形成される。
【００４５】
裾部４３２の第２の半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）は、ナノドット４３１の頭頂部の第１の半導体材料（ＩｎＡｓ）と、供給された第３の半導体材料（ＧａＡｓ）とが混ざり合い、ナノドット４３１の底部の周辺部のみに拡散したものである。つまり、第２の半導体材料は、第１の半導体材料と第３の半導体材料とが混合した結果により生成されており、第１の半導体材料の構成元素は必ず第２の半導体材料の構成元素に含まれる。
【００４６】
通常、混ざり合った混合物はナノドット４３１周辺部に留まることなく表面全体に一様に拡散し、裾部を形成することは無いが、本発明の場合は、ナノドット４３１に第３の半導体材料（ＧａＡｓ）を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給した後、直ちに第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させる工程を行うため、混合物の表面拡散がナノドット４３１周辺のみに留まり、厚さ２分子層以上の有意な厚さを有する裾部４３２として形成される。本例において、降下させる温度は５０℃程度、降下速度は５０℃／分としたが、これらの値に限られるものではない。
【００４７】
裾部４３２の形状、厚さ、幅寸法および組成の少なくとも一つは、第３の半導体材料の供給時の成長基板温度（第２の基板温度）、第３の半導体材料の供給量、第３の半導体材料供給時の雰囲気ならびに第２の基板温度から第３の基板温度まで降下させる速度のうちの少なくとも一つの条件の設定によって制御可能である。尚、裾部の平面形状の制御については実施形態２において、裾部の厚さの制御については実施形態３において、後述する。
【００４８】
尚、ナノドット３００がＩｎＧａＡｓで、かつ、裾部４３２も同じＩｎＧａＡｓからなる場合、一般的に、裾部４３２のＩｎ組成比率は、ナノドット４３１よりも少ない。
【００４９】
続いて、上記工程により製造した量子ドット４３上に、中間層４１Ａと同じＧａＡｓから成る半導体薄膜４１Ｂを成長させることにより、図３（ｄ）に示されるように、量子ドット４３がＧａＡｓに埋め込まれた量子ドット層４２を形成する。
【００５０】
そしてさらに光の吸収効率を上げるため、上記手順を例えば１０回以上繰り返すことにより、中間層４１Ａと、ナノドット４３１、裾部４３２および半導体薄膜４１Ｂから成る量子ドット層４２とを交互に積層させ、高効率の光吸収層４（図１）を形成する。
【００５１】
次に、光吸収層４（図１）上に、厚さが２００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成されるｎ型の上部コンタクト層５（図１）を積層し、本実施形態による赤外線検出素子１００（図１）を完成させる。
【００５２】
以上説明した赤外線検出素子の製造方法においては、量子ドットを含む光吸収層や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い。例えば、これらの構造を、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等の他の結晶成長法を用いてもよい。また、中間層、ナノドット、裾部等の材料組成は、上述したものには限定されない。
【００５３】
さらに、これらの半導体層を積層したウエハは、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ法等の通常の半導体プロセス手法を経ることにより、図１に示されるような赤外線検出器２００が製造される。
【００５４】
［動作原理］
次に、図５、図６を参照して、本実施形態の赤外線検出素子の動作原理を説明する。
【００５５】
図５に、赤外線検出素子における光吸収層４の電子のエネルギーバンド構造を示す。図５における左右方向が図１での上下方向に対応し、図５の左側が下部コンタクト層３側、右側が上部コンタクト層５側を表している。尚、図５は、電圧源６０１（図１）からの負バイアス印加時の一例を示す図である。
【００５６】
図５に示されるように、量子力学に基づけば、量子ドット層における量子ドット（ナノドット４３１）に束縛された電子ｅ−は、離散的なエネルギー準位しかとることができない。しかし、（基底準位）と（励起準位）のエネルギー差に等しいエネルギーを持った入射赤外線ＩＲを基底状態の電子ｅ−が吸収すると、電子ｅ−は、（励起準位）に遷移する。この（励起準位）に遷移した電子ｅ−が（伝導帯連続状態）に抜け出し、それに伴う電流値の変化を電流計６０２（図１）によって検出することで、赤外線検出素子として動作する。
【００５７】
（基底準位）および（励起準位）のエネルギー差は、ナノドット４３１およびその周辺の構造の形状、歪み、組成等によって変化する。この効果は、ナノドット４３１の底部周辺のみに疑似的な量子井戸層領域を有する本発明の赤外線検出素子においても発揮する。つまり、ＤＷＥＬＬ型の構造と同様に、本発明における裾部４３２の厚さ、形状、組成を変化させることにより、（基底準位）と（励起準位）とのエネルギー差が変化する。例えば、裾部４３２の厚さを厚くすれば、実効的な量子閉じ込めポテンシャルが深くなることにより、（励起準位）のエネルギーが低下する。その結果、（基底準位）と（励起準位）とのエネルギー差が低下し、検知波長が長波長化する。このようにして、本発明による赤外線検出素子においては、検出波長の制御が可能となる。
【００５８】
図６は、本発明にかかる赤外線検出素子内部の電子運動の概念図である。ｉを自然数として、光吸収によりｉ番目（ｉは、自然数）の量子ドット層４２−ｉの量子ドット４３から伝導帯連続状態へと抜け出した電子ｅ−は、電圧源６０１によって印加された素子内部の電界により加速され、ｉ＋１番目の量子ドット層４２−（ｉ＋１）に到達する。電圧源６０１は、上部電極８および下部電極７を通して上部コンタクト層５と下部コンタクト層３とに接続されている。連続状態の電子ｅ−は、ある確率で素子内の量子ドットや量子井戸に再び捕獲される。このような電子が連続状態に飛び出し、再び捕獲されるまでの時間を寿命τｅとし、キャリアの走行時間をτｄとすると、素子の光伝導利得ｇは、次の式２のように書ける。
【数２】
2017147322.tif 000004
【００５９】
キャリア走行時間τｄは、バイアス電圧をＶ、素子の電極間、またはコンタクト層間距離をＬ、素子内部の電子の移動度をμｅとして次の式３のように記される。
【数３】
2017147322.tif 000005
【００６０】
よって光伝導利得ｇは、次の式４となり、キャリア寿命が長く移動度の高い素子が大きな光伝導利得を持つ。
【数４】
2017147322.tif 000006
【００６１】
ＱＤＩＰにおいて、寿命τｅは量子井戸および量子ドットによる散乱確率に反比例するが、この散乱確率は近似的には赤外線素子の断面積と量子ドットおよびナノ構造体との面積の比σに比例する。したがって、この面積の比率σが小さいほど寿命τｅは長くなり、検出素子の高感度化に望ましい。
【００６２】
素子の断面積をＡ、量子ドットの面内個数密度をｎ、ナノ構造体の直径をｄＮＳとすると、素子の断面積と量子ドットおよびナノ構造体との面積比σは量子ドット層１層あたり、次の式５のようになる。
【数５】
2017147322.tif 000007
【００６３】
数密度ｎ＝３ｘ１０９／ｃｍ２ 、ｄＮＳ＝６０ｎｍとするとσ〜０．１４となる。一方、従来型のＤＷＥＬＬ構造において同様の計算を行うと、素子断面積＝量子井戸の面積のため、ｄＮＳ＝√（４Ａ／π）であり、σ〜１となる。したがって、本発明の構造においては、伝導帯連続状態へと抜け出した電子の寿命をτｅが長くなる。また、移動度に関しても上で述べた散乱確率が小さい場合に大きくなるため、結果としてＤＷＥＬＬ構造よりも本発明の赤外線検出素子が大きな光伝導利得を持つ。この効果は、量子ドットの底部周辺のみに疑似的な量子井戸層領域を有する本発明の赤外線検出素子においても発揮する。
【００６４】
ナノ構造体２０１の直径ｄＮＳは、隣接する他のナノ構造体と結合しない長さであることが望ましい。即ち、Ｎ個の点が面積Ａの平面上にランダムに分布しているときの平均最近隣距離Ｗは、次の式６となる。
【数６】
2017147322.tif 000008
【００６５】
ここで、素子の断面積をＡ、量子ドットの面内個数密度をｎ＝Ｎ／Ａとして、Ｗ〜１／２√ｎであり、ナノ構造体２０１の直径ｄＮＳは、次の式７のとおりであることが、望ましい。
【数７】
2017147322.tif 000009
【００６６】
本発明による量子ドット４３（図２（ａ）および（ｂ））は、面内に複数個形成することにより、光半導体素子における光吸収媒体、もしくは、発光媒体としての機能を発現する。その際、本発明による効果を最大限に利用するためには、それぞれの量子ドット４３の裾部４３２（図２（ａ）および（ｂ））が平面内で接触せず、独立して存在している方が好ましい。これは、裾部４３２が大きくなり過ぎると裾部４３２同士が結合してしまうことと、裾部４３２の占有面積が大きくなり過ぎるとＤＷＥＬＬ構造と比較した場合の受光感度上昇効果の差があまりなくなってくることとに起因している。
【００６７】
以上説明したように、ナノ構造体の形態を呈する量子ドットを有する本発明による赤外線検出素子は、ナノドット底部の周辺部のみに疑似的な量子井戸層領域を形成することにより、光照射により量子ドットおよび量子井戸の束縛状態から伝導帯連続状態へと抜け出た電子が、量子ドットが形成されている領域以外の量子井戸層で再び捕獲されて電子の寿命が短くなることがないため、光伝導利得が低下を引き起こすことが無く、高い光伝導利得を持つことから、赤外線検出素子の受光感度を向上させる効果がある。
【００６８】
また、本発明に記載のナノ構造体は、特許文献１に開示された技術のごとく疑似的な量子井戸層が全方位方向に形成されてはおらず、ナノドットの底部のみに伸延した裾部を有する局所的な量子井戸構造であるため、量子井戸層が全方位方向で取り囲んでいる場合に比べて量子ドットの量子効率低下を防ぐことができる。さらに、このナノ構造体を呈する量子ドットの裾部の局所的な疑似的量子井戸層の効果により、赤外線検出器の吸収波長制御や偏光特性制御が、裾部の形状や組成を制御することにより可能である。
【００６９】
つまり、赤外線検出素子の光吸収体として本発明によるナノ構造体を呈する量子ドットを有することにより、面内方向の量子効率の低下を伴うこと無しに、赤外線検出素子の受光感度向上を行うことが可能であり、さらには、受光感度を向上させたうえで量子ドットの量子効率を低下させることなく、かつ、波長制御が可能な赤外線検出素子を提供することが可能となる。
【００７０】
［実施形態２］
本発明の実施形態２の赤外線検出素子は、量子ドットにおける裾部の平面形状が実施形態１と異なっている。このため、実施形態１と同一または同様の部分については、実施形態１の説明および図面を援用することとし、詳細な説明は省略する。
【００７１】
［構成］
図１を参照すると、本実施形態による赤外線検出器２００’は、実施形態１と同様に、赤外線検出素子１００’と、下部電極７と、上部電極８と、電圧源６０１と、電流計６０２とを有している。赤外線検出器２００’は、上部電極８と下部電極７との間に電圧源６０１を用いて適切な電圧を印加し、後述する光吸収層４’が入射赤外線ＩＲを吸収することで生じる電気伝導度の変化を電流計６０２によって検出する。
【００７２】
赤外線検出素子１００’は、例えば半絶縁性ＧａＡｓから成る半導体基板１と、半導体基板１と同じ半導体材料から成る緩衝層２と、例えばｎ型ドープされたＧａＡｓから成る下部コンタクト層３と、光吸収層４’と、上部コンタクト層５とを有している。
【００７３】
光吸収層４’は、ノンドープのＧａＡｓから成るｉ型の中間層４１Ａと、量子ドット層４２’（図１中、４２と表記）とが交互に複数積層されて成る。このように、光吸収層４’が、複数の積層された量子ドット層４２’を有することにより、入射赤外線ＩＲの吸収効率が向上される。
【００７４】
図７（ａ）〜（ｃ）をも参照すると、各量子ドット層４２’は、中間層４１Ａ上に複数形成された量子ドット４３’と、中間層４１Ａと同じ組成の半導体薄膜層４１Ｂとを有している。
【００７５】
量子ドット４３’は、第１の半導体材料から成るナノドット４３１と、ナノドット底部の周囲に沿層方向に延在し、第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成る２分子層以上の厚さを有する裾部４３２’とから成るナノ構造体の形態を呈している。
【００７６】
本実施形態では特に、裾部４３２’は、ナノドット４３１を中心とする楕円板形状を呈している。
【００７７】
また、裾部４３２’は、ナノドット４３１の下方の周囲にのみ形成されている。尚、裾部４３２’の厚さは、ナノドット４３１の高さ未満であることが好ましい。これは、裾部がナノドットの高さを超えて形成されていると、入射赤外線ＩＲの吸収効率が低下するからである。
【００７８】
量子ドット４３’を構成する第１の半導体材料および第２の半導体材料は、半導体材料であり、特に本発明のごとく光半導体素子へ適用する場合は一般的に化合物半導体である。化合物半導体である第１の半導体材料および第２の半導体材料の組み合わせとしては、例えば、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰおよびＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ等が挙げられる。これらの組み合わせにおいて、第１の半導体材料の構成元素は必ず第２の半導体材料の構成元素に含まれる。
【００７９】
図７（ａ）〜（ｃ）をも参照すると、実施形態２の量子ドット４３’はナノドット４３１、裾部４３２’、によって構成される。中間層４１Ａの上にナノドット４３１、ナノドット４３１の底部周囲、沿層方向のみに裾部４３２’が形成されている。ナノドット４３１底部の裾部４３２’は、図７（ａ）に示されるようにｘ方向とｙ方向とで非対称な形状を呈し、図７において定義されているｘ方向とｙ方向について長さが異なることを特徴とする。
【００８０】
本実施形態による赤外線検出素子においては、楕円板形状の裾部４３２’を付帯する量子ドット４３’（図７（ｂ）および（ｃ）、図８（ａ）および（ｂ））を用いることにより、楕円板形状の長軸に平行な偏光成分に対して高い感度を持つ赤外線検出器や、偏光に対して異なる分光感度を持ち、偏光による波長選択が可能な赤外線検出器を実現できる。
【００８１】
図９は、本実施形態による赤外線検出素子における量子ドット（ナノドット４３１および裾部）の電子の量子準位を示した図である。
【００８２】
量子ドットの基底準位および励起状態のエネルギーは量子ドットおよびその周辺の構造の形状によって変化する。本実施形態による赤外線検出素子においては、裾部４３２’の形状が楕円板形状であるため、図９に示されるように、ナノ構造体のｙ方向（楕円の長軸方向）の幅の広い量子閉じ込めに基づく（第１の励起準位）と、ｘ方向（楕円の短軸方向）の幅の狭い量子閉じ込めに基づく（第２の励起準位）が形成される。量子閉じ込めの強さの違いに因り、（基底準位）と（第１の励起準位）とのエネルギー差は、（基底準位）と（第２の励起準位）とのエネルギー差と異なる。つまり、本実施形態においては、楕円板形状の裾部を付帯する量子ドットを量子ドット層内に形成することにより、（基底準位）から（第２の励起準位）に遷移するエネルギー差に等しい光のみが吸収され、吸収波長選択性を有する赤外線検出素子を実現できる。
【００８３】
また本実施形態による赤外線検出素子は、量子ドット４３’の裾部４３２’の平面形状のｘ方向（楕円の短軸方向）とｙ方向（楕円の長軸方向）における形状の非対称性により、偏光依存性をもつ。即ち、量子ドット４３’のｙ方向に偏光した赤外線が入射した場合、（基底準位）から（第１の励起準位）のエネルギー差に等しい波長の光のみが吸収される。一方、ｘ方向に偏光した赤外線のうち、（基底準位）から（第２の励起準位）に遷移するエネルギー差に等しい光のみが吸収される。即ち、本実施形態による赤外線検出素子は、楕円板形状の裾部４３２’を付帯する量子ドット４３’を有することにより、偏光によって検出波長を選択する機能を有する。
【００８４】
［製造方法］
以下、本実施形態による赤外線検出素子の製造方法、特に、図７（ａ）〜（ｃ）に示された量子ドット層４２’における量子ドット４３’の形成方法を中心に説明する。
【００８５】
本製造方法においても、実施形態１と同様に、図４に示される分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置３００を用いる。
【００８６】
本実施形態による赤外線検出素子の製造方法は、図３（ａ）に示された、実施形態１の製造方法における複数のナノドット４３１を形成する工程までは、同じである。
【００８７】
即ち、半導体基板１（図１）上に緩衝層２（図１）および下部コンタクト層３（図１）を形成し、さらに中間層４１Ａ（図１）を形成した後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、第３材料供給器３３３（図４）からＡｓを照射しながら、第１材料供給器３３１（図４）からＩｎを厚さが２分子層程度となるように供給し、第１の半導体材料としてのＩｎＡｓから成るナノドット４３１を、図３（ａ）に援用的に示されるように形成する。この時の成長様式は、ＳＫモードである。ナノドットの典型的な直径は３０〜４０ｎｍ、高さ１０ｎｍ程度であり、１平方センチメートルあたりの数密度は１×１０９程度である。
【００８８】
続いて、裾部４３２’の形成工程が実施されるが、実施形態２における裾部形成工程は、実施形態１と異なる。
【００８９】
裾部４３２’の形状、厚さ、組成（本実施形態では、裾部の形状）は、第２の半導体材料供給時の成長基板温度、層厚、形成時の雰囲気、第２の基板温度から降下せしめた第３の基板温度、および、第２の基板温度から第３の基板温度まで降下させる速度のうち少なくとも１つの条件を変化させることにより、制御することが可能である。
【００９０】
例えば、形成時の雰囲気によって裾部４３２’の平面形状は大きく変化する。ここで、ナノドット４３１（図７（ａ）〜（ｃ））を構成する第１の半導体材料がＩｎＡｓであり、中間層４１Ａ（図１、図７（ａ）および（ｃ））、半導体薄膜層４１Ｂ（図７（ａ）および（ｃ））等を構成する第３の半導体材料がＧａＡｓである場合、これらの成長は、ＭＢＥ装置３００の第３材料供給器３３３（図４）から照射されるＶ族材料であるＡｓの供給によって真空チャンバ３１０内に形成されるＡｓ雰囲気下で、ＩｎもしくはＧａを基板に照射することで実施される。
【００９１】
このＡｓ雰囲気におけるＡｓの形態に応じて、裾部４３２’の平面形状を制御することが可能である。Ａｓ分子線は、通常、固体のＡｓ材料を３００℃程度に加熱し、昇華させることによって得ることができるが、この場合には、Ａｓ原子が４個結合したＡｓ４の形態をとる。これに対し、得られたＡｓ４分子線をさらに加熱すること（クラッキング）により、Ａｓ原子が２個結合したＡｓ２の形態にすることが可能である。
【００９２】
そして、Ａｓ２の形態でＡｓを照射した場合は、実施形態１のごとく平面視で円板状の裾部が形成されるが、Ａｓが分解されないＡｓ４の形態で照射された場合は、本実施形態のごとく平面視で楕円板状の裾部が形成される。尚、中間の設定温度でＡｓ２とＡｓ４の混合雰囲気下でナノ構造体を形成した場合は、その混合比率に応じて、楕円板状、とりわけ円板に近い形状の裾部が形成される。
【００９３】
Ａｓの形態に応じて裾部の平面形状が異なるメカニズムは、次のとおりである。即ち、Ａｓ４照射条件下とＡｓ２照射条件下では、ＧａもしくはＩｎの半導体成長表面上での拡散係数や表面スッテプ端での取り込み効率が異なるため、裾部の平面形状が異なる。
【００９４】
実施形態２ではクラッキングを行わない。即ち、ナノドット４３１を成長させ、同じ成長温度で６０秒間待機した後、材料格納部および材料放出部の両方の温度、もしくは、材料格納部の温度が３４０℃に保持された第３材料供給器３３３からＡｓ４を供給することによって得られるＡｓ４雰囲気下で、第２材料供給器３３２（図４）から厚さ１分子層相当分量のＧａを供給することにより、１分子層分の第３の半導体材料としてのＧａＡｓを１分子層分だけ供給した後、直ちに連続して基板温度を毎分５０℃の速度で５０℃程度下げる。この工程により、ナノドット４３１の平均高さは５〜７ｎｍ程度まで減少する一方、ナノドット４３１底部周辺のみに、厚さ１ｎｍ程度、幅数１０ｎｍ程度の第２の半導体材料としてのＩｎＧａＡｓから成る、ナノドット４３１を中心とした楕円板形状を呈する裾部４３２’が形成される。即ち、［−１１０］方向に細長い形状の量子ドット４３’が製造される。
【００９５】
裾部４３２’の第２の半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）は、ナノドット４３１の頭頂部の第１の半導体材料（ＩｎＡｓ）と、供給された第３の半導体材料（ＧａＡｓ）とが混ざり合い、ナノドット４３１の底部の周辺部のみに拡散したものである。つまり、第２の半導体材料は、第１の半導体材料と第３の半導体材料とが混合した結果により生成されており、第１の半導体材料の構成元素は必ず第２の半導体材料の構成元素に含まれる。
【００９６】
通常、混ざり合った混合物はナノドット４３１周辺部に留まることなく表面全体に一様に拡散し、裾部を形成することは無いが、本発明の場合は、ナノドット４３１に第３の半導体材料（ＧａＡｓ）を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給した後、直ちに第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させる工程を行うため、混合物の表面拡散がナノドット４３１周辺のみに留まり、厚さ２分子層以上の有意な厚さを有する裾部４３２’として形成される。本例において、降下させる温度は５０℃程度、降下速度は５０℃／分としたが、これらの値に限られるものではない。
【００９７】
ここで、図８（ａ）および（ｂ）を参照すると、裾部４３２’は、長手方向の長さが約９０ｎｍ、長手方向に交差する方向の幅が約３０ｎｍ、厚さが約１ｎｍである。ただし、図８（ａ）および（ｂ）に示された量子ドット４３’の裾部４３２’はあくまでも一例に過ぎず、本発明において、裾部の平面形状や組成は、第３の半導体材料の供給時の基板温度、供給量等その他の製造条件を変えることにより制御可能であり、本実施形態の形状以外の構造も製造することができる。
【００９８】
裾部４３２’の形成後、量子ドット４３’上に、中間層４１Ａと同じＧａＡｓから成る半導体薄膜４１Ｂ（図７（ａ）および（ｃ））を成長させることにより、量子ドット４３’がＧａＡｓに埋め込まれた量子ドット層４２’（図１、図７（ａ））を形成する。
【００９９】
そしてさらに光の吸収効率を上げるため、上記手順を例えば１０回以上繰り返すことにより、中間層４１Ａと、ナノドット４３１、裾部４３２’および半導体薄膜４１Ｂから成る量子ドット層４２’とを交互に積層させ、高効率の光吸収層４’（図１）を形成する。
【０１００】
次に、光吸収層４上に、厚さが２００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成されるｎ型の上部コンタクト層５（図１）を積層し、本実施形態による赤外線検出素子１００’（図１）を完成させる。
【０１０１】
さらに、これらの半導体層を積層したウエハは、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ法等の通常の半導体プロセス手法を経ることにより、図１に示されるような赤外線検出器２００’が製造される。
【０１０２】
［実施形態３］
本発明の実施形態３の赤外線検出素子は、量子ドットにおける裾部の厚さが実施形態２と異なっている。このため、実施形態２と同一または同様の部分については、実施形態２ならびに実施形態２が援用する実施形態１の説明および図面を援用することとし、詳細な説明は省略する。
【０１０３】
［構成］
図１を参照すると、本実施形態による赤外線検出器２００”は、実施形態１、２と同様に、赤外線検出素子１００”と、下部電極７と、上部電極８と、電圧源６０１と、電流計６０２とを有している。赤外線検出器２００”は、上部電極８と下部電極７との間に電圧源６０１を用いて適切な電圧を印加し、光吸収層４”が入射赤外線ＩＲを吸収することで生じる電気伝導度の変化を電流計６０２によって検出する。
【０１０４】
赤外線検出素子１００”は、半導体基板１と、緩衝層２と、下部コンタクト層３と、光吸収層４”と、上部コンタクト層５とを有している。
【０１０５】
光吸収層４”は、ノンドープのＧａＡｓから成るｉ型の中間層４１Ａと、量子ドット層（図１中、４２と表記）とが交互に複数積層されて成る。このように、光吸収層４”が、複数の積層された量子ドット層を有することにより、入射赤外線ＩＲの吸収効率が向上される。
【０１０６】
量子ドット層は、図１０をも参照すると、中間層４１Ａ上に複数形成された量子ドット４３”と、中間層４１Ａと同じ組成の半導体薄膜層とを有している。
【０１０７】
量子ドット４３”は、第１の半導体材料から成るナノドット４３１と、ナノドット底部の周囲に沿層方向に延在し、第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成る２分子層以上の厚さを有する裾部４３２”とから成るナノ構造体の形態を呈している。
【０１０８】
裾部４３２”は、ナノドット４３１を中心とする円板形状を呈している。
【０１０９】
量子ドット４３”を構成する第１の半導体材料および第２の半導体材料の組み合わせとしては、例えば、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰおよびＧａＩｎＰ、ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ等が挙げられる。これらの組み合わせにおいて、第１の半導体材料の構成元素は必ず第２の半導体材料の構成元素に含まれる。
【０１１０】
図１１をも参照すると、本実施形態では特に、複数の量子ドット４３ａ”〜４３ｄ”の裾部４３２ａ”〜４３２ｄ”は、Ｘ方向（［−１１０］方向）に沿って漸次厚さが異なっている。
【０１１１】
ただし、最も厚い裾部（図１１においては、裾部４３２ｄ”）であっても、その厚さは、ナノドット４３１の高さ未満であることが好ましい。これは、裾部がナノドットの高さを超えて形成されていると、入射赤外線ＩＲの吸収効率が低下するからである。
【０１１２】
本実施形態による赤外線検出素子１００”は、裾部の厚さが、ｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に沿って漸次異なっていることにより、第１の電子準位と第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長がｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方向に沿って漸次異なる赤外線検出素子である。
【０１１３】
［製造方法］
以下、本実施形態による赤外線検出素子の製造方法、特に、図１０、図１１に示された量子ドット層における量子ドット４３”の形成方法を中心に説明する。
【０１１４】
本製造方法においても、実施形態１、２と同様に、図４に示される分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置３００を用いる。
【０１１５】
本実施形態による赤外線検出素子の製造方法は、図３（ａ）に示された、実施形態１の製造方法における複数のナノドット４３１を形成する工程までは、同じである。
【０１１６】
即ち、半導体基板１（図１）上に緩衝層２（図１）および下部コンタクト層３（図１）を形成し、さらに中間層４１Ａ（図１）を形成した後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、第３材料供給器３３３（図４）から、Ｖ族材料であるＡｓをＡｓ４の形態で照射しながら、第１材料供給器３３１（図４）からＩｎを厚さが２分子層程度となるように供給し、第１の半導体材料としてのＩｎＡｓから成るナノドット４３１を、図３（ａ）に援用的に示されるように形成する。この時の成長様式は、ＳＫモードである。ナノドットの典型的な直径は３０〜４０ｎｍ、高さ１０ｎｍ程度であり、１平方センチメートルあたりの数密度は１×１０９程度である。
【０１１７】
ここまでの成長工程では、成長層の均一性を上げるために成長時に半導体基板を回転させている。
【０１１８】
続いて、裾部４３２”の形成工程が実施されるが、実施形態３における裾部形成工程は、実施形態１および実施形態２と異なる。
【０１１９】
図１０、図１１を参照すると、ナノドット４３１の形成後、半導体基板の回転を停止し、（００１）方位の中間層４１Ａの［−１１０］方向と図１０におけるｘ方位を一致させる。そして、Ａｓ４雰囲気下で第２材料供給器３３２から、ｘ方向（［−１１０］方向）に沿ってＧａ材料を照射する結果、ＧａとＡｓから成る第３の半導体材料が供給される。
【０１２０】
図１１は、Ｇａ材料の照射時の、ｘ方向（［−１１０］方向）に並んだ４つのナノドット４３１ａ〜４３１ｄに対する第２材料供給器３３２の位置関係を模式的に示している。図１１に示されるように、ナノドット４３１ａ〜４３１ｄのそれぞれに対する第２材料供給器３３２の距離（見込角）に応じて、僅かな堆積量の差が発生する。
【０１２１】
実際の供給量は１分子層相当量であるが、各ナノドットと第２材料供給器３３２との相対位置関係の差により、隣り合うナノドット形成位置間では、平均的に１分子層以下の差が生じる。Ａｓ４雰囲気下で第２材料供給器３３２から供給されたＧａとナノドット４３１ａ〜４３１ｄの材料とが混合され、裾部４３２ａ”〜４３２ｄ”が形成されるわけであるが、その際、前述の僅かな供給量の差は、混合過程を経て形成される裾部４３２ａ”〜４３２ｄ”の厚さの大きな差に増幅される。この結果、裾部４３２ａ”〜４３２ｄ”形成後には、裾部４３２ａ”〜４３２ｄ”の厚さがｘ方向に沿って漸次異なる量子ドット４３ａ”〜４３ｄ”がｘ軸方向に沿って形成される。尚、裾部形成時に、半導体基板をさらに傾けることにより、各裾部での供給量に差がつく様にしてもよい。
【０１２２】
尚、Ｖ族材料としてＡＳ４に代えてクラッキングしたＡｓ２を用いることにより、ｙ方向に延在する量子ドットも製造可能である。
【０１２３】
さらに、裾部形成時の他の形成条件、例えば、半導体材料の供給量、半導体材料供給時の基板温度、層厚、第２の基板温度から降下させた第３の基板温度、および、第２の基板温度から第３の基板温度まで降下させる速度等、の少なくとも一つの形成条件を変化させることによっても、裾部の円板もしくは楕円板の厚さ等を制御することが可能である。例えば、半導体薄膜層成長時の基板温度を上昇させれば、裾部の厚さは薄くなる一方、平面サイズは大きくなる。また、第２の基板温度から第３の基板温度まで降下させる速度を大きくすれば、裾部の厚さは厚くなる一方、平面サイズは小さくなる。
【０１２４】
裾部４３２”の形成後、量子ドット４３”上に、中間層４１Ａと同じＧａＡｓを成長させることにより、量子ドット４３”がＧａＡｓに埋め込まれた量子ドット層（図１中、４２と表記）を形成する。
【０１２５】
そしてさらに光の吸収効率を上げるため、上記手順を例えば１０回以上繰り返すことにより、中間層と、ナノドット４３１、裾部４３２”および半導体薄膜から成る量子ドット層とを交互に積層させ、高効率の光吸収層４”（図１）を形成する。
【０１２６】
次に、光吸収層４”上に、厚さが２００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成されるｎ型の上部コンタクト層５（図１）を積層し、本実施形態による赤外線検出素子１００”（図１）を完成させる。
【０１２７】
さらに、これらの半導体層を積層したウエハは、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ法等の通常の半導体プロセス手法を経ることにより、図１に示されるような赤外線検出器２００”が製造される。
【０１２８】
尚、このウエハ上に通常の半導体プロセス工程を経て複数の赤外線検出素子をアレイ状に形成することにより、検出波長が２次元マトリクス状に各軸に沿って漸次異なる集積型赤外線検出器を製造することも可能である。
【０１２９】
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。
【０１３０】
（付記１）複数の量子ドットを有する量子ドット層を含む光吸収層を有し、
前記複数の量子ドットはそれぞれ、
第１の半導体材料から成るナノドットと、
前記第１の半導体材料を構成する元素を含む第２の半導体材料から成り、前記ナノドット底部の周囲に２分子層以上の厚さで沿層方向に延在する裾部とから成るナノ構造体の形態を呈し、
前記量子ドット層の量子閉じ込めによって形成される基底準位と励起準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出することを特徴とする赤外線検出素子。
【０１３１】
（付記２）前記第１の半導体材料および前記第２の半導体材料が、化合物半導体であることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出素子。
【０１３２】
（付記３）前記第１の半導体材料および前記第２の半導体材料が、
ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、
ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、
ＩｎＡｓおよびＧａＩｎＡｓＰ、
ＩｎＰおよびＧａＩｎＰ、
ＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓ、もしくは、
ＧａＡｓおよびＧａＮＡｓであることを特徴とする付記２に記載の赤外線検出素子。
【０１３３】
（付記４）前記裾部が、前記ナノドットを中心とした円板形状もしくは楕円板形状であることを特徴とする付記１乃至３のいずれかに記載の赤外線検出素子。
【０１３４】
（付記５）前記裾部が楕円板形状である場合に、該裾部の長軸に平行な偏光成分に対して高い感度を持つことを特徴とする付記４に記載の赤外線検出素子。
【０１３５】
（付記６）前記光吸収層は、半導体薄膜層を介して積層された複数の前記量子ドット層を含むことを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の赤外線検出素子。
【０１３６】
（付記７）前記量子ドットの前記裾部それぞれの平面形状、厚さおよび組成の少なくともいずれか１つが、沿層方向におけるｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に沿って漸次異なっており、これにより、第１の電子準位と第２の電子準位とのエネルギー差に相当する検出波長が、前記軸方向に沿って漸次異なっている
ことを特徴とする付記１乃至６のいずれかに記載の赤外線検出素子。
【０１３７】
（付記８）前記量子ドットの前記裾部それぞれの沿層方向の最大寸法の平均値ｄＮＳが、該量子ドットの面内個数密度ｎに対し、ｄＮＳ＜１／（２√ｎ）であることを特徴とする付記１乃至７のいずれかに記載の赤外線検出素子。
【０１３８】
（付記９）付記１乃至８のいずれかに記載の赤外線検出素子の製造方法であって、
半導体基板上に前記第１の半導体材料から成る複数の前記ナノドットを第１の基板温度で形成する工程と、
各前記ナノドット上に第３の半導体材料を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給し、直ちに該第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させることにより、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の構成元素の混合体である前記第２の半導体材料から成る前記裾部を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【０１３９】
（付記１０）付記７または８に記載の赤外線検出素子の製造方法であって、
半導体基板上に前記第１の半導体材料から成る複数の前記ナノドットを第１の基板温度で形成する工程と、
各前記ナノドット上に第３の半導体材料を厚さ４分子層以下になるように第２の基板温度で供給し、直ちに該第２の基板温度よりも低い第３の基板温度まで降下させることにより、前記第１の半導体材料と前記第３の半導体材料の構成元素の混合体である前記第２の半導体材料から成る前記裾部を形成する工程とを有し、
前記裾部形成工程において、前記第３の半導体材料供給時の前記第２の基板温度、前記第３の半導体材料の供給量、前記第３の半導体材料供給時の雰囲気ならびに前記第２の基板温度から第３の基板温度まで降下させる速度のうちの少なくとも一つの条件の設定により、前記裾部それぞれの平面形状、厚さおよび組成の少なくともいずれか１つを、沿層方向におけるｘ方向およびｙ方向の少なくとも一方に沿って漸次異ならせることを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【０１４０】
（付記１１）前記複数の量子ドットは、偏光に対して異なる分光感度を持ち、偏光による波長選択が可能なことを特徴とする付記７または８に記載の赤外線検出素子。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明は、例えば、中赤外および中遠赤外領域において高感度な赤外線検出器に適用できる。
【０１４２】
尚、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、特定の波長を選択的に受信することが必要となる通信用の受光器といった用途にも適用可能である。
【０１４３】
さらには、本発明は、受光素子のみならず、例えば、ナノ構造体の平面密度を低減させ、偏光および吸収発光波長の異方性を利用した量子情報処理デバイスへの応用も可能である。
【符号の説明】
【０１４４】
１    半導体基板
２    緩衝層
３    下部コンタクト層
４、４’、４”    光吸収層
４１Ａ  中間層
４１Ｂ  半導体薄膜層
４２、４２’  量子ドット層
４３、４３’、４３”、４３ａ”〜４３ｄ”  量子ドット
４３１、４３１ａ〜４３１ｄ  ナノドット
４３２、４３２’、４３２”、４３２ａ”〜４３２ｄ”  裾部
５    上部コンタクト層
７    下部電極
８    上部電極
１００、１００’、１００”  赤外線検出素子
２００、２００’、２００”  赤外線検出器
３００    分子線エピタキシャル装置（ＭＢＥ装置）
３１０    真空チャンバ
３２０    基板ホルダ
３３１    第１材料供給器
３３２    第２材料供給器
３３３    第３材料供給器
６０１    電圧源
６０２    電流計
ＩＲ    入射赤外線
ｒ３２０    回転方向
【図１】
2017147322.tif 000010
【図２】
2017147322.tif 000011
【図３】
2017147322.tif 000012
【図４】
2017147322.tif 000013
【図５】
2017147322.tif 000014
【図６】
2017147322.tif 000015
【図７】
2017147322.tif 000016
【図８】
2017147322.tif 000017
【図９】
2017147322.tif 000018
【図１０】
2017147322.tif 000019
【図１１】
2017147322.tif 000020