(57)【要約】  暗電流の発生を抑制するために、基板と、基板の上方に形成される受光層と、受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、電子障壁層の基材の半導体と、量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子とする。
2019215903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子。
【請求項２】
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたバルク半導体を含み、
前記バルク半導体よりも前記量子ドットの半導体の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記バルク半導体は、
ＡｌＧａＳｂの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、およびＩｎＡｓＳｂから成る群より選ばれる半導体で構成される請求項２に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記バルク半導体は、
ＡｌＧａＳｂの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
ＩｎＡｓＳｂの半導体で構成される請求項２に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたタイプ１超格子構造によって構成される請求項１に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記電子障壁層は、
第１のバンドギャップを有する半導体によって構成される第１障壁層と、前記第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有し、
前記第２障壁層は、
前記第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ前記第１障壁層および前記第２障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む請求項５に記載の光検出素子。
【請求項７】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む請求項６に記載の光検出素子。
【請求項８】
前記受光層は、
互いにバンドギャップの異なる第１受光層と第２受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項９】
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第２障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する請求項６または７に記載の光検出素子。
【請求項１０】
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓＳｂを含む請求項９に記載の光検出素子。
【請求項１１】
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む請求項９に記載の光検出素子。
【請求項１２】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓＳｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓＳｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓＳｂを含む請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１３】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層と前記第２障壁層の半導体のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい請求項１２に記載の光検出素子。
【請求項１４】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１５】
前記電子障壁層および前記受光層のうち少なくとも一方がＰを含む請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１６】
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む２つのコンタクト層を備え、
２つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がｎ型ドーパントを含む請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１７】
２つの前記コンタクト層のいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える請求項１６に記載の光検出素子。
【請求項１８】
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検出する光検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出する光検出素子の受光材料として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＣｄＴｅ）や化合物半導体などのバルク半導体が用いられる。化合物半導体を受光材料とする光検出素子では、赤外線の受光の有無に関わらず流れる電流（以下、暗電流と呼ぶ）を低減するために、受光層とコンタクト層との間に電子障壁層を介在させる構造が開示されている。【０００３】
非特許文献１には、インジウム・ヒ素（ＩｎＡｓ）とガリウム・アンチモン（ＧａＳｂ）とを交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層に対して、アルミニウム・ガリウム・アンチモン（ＡｌＧａＳｂ）層を電子障壁層として含む光検出素子が開示されている。【０００４】
非特許文献２には、ＩｎＡｓバルク受光層に対して、アルミニウム・ヒ素・アンチモン（ＡｌＡｓＳｂ）障壁層を設けた構造が開示されている。【０００５】
非特許文献３には、インジウム・ガリウム・ヒ素・アンチモン（ＩｎＧａＡｓＳｂ）バルク受光層に対して、ＡｌＧａＳｂ障壁層を設けた構造が開示されている。【０００６】
非特許文献４には、ＩｎＡｓとアルミニウム・アンチモン（ＡｌＳｂ）とＧａＳｂとを交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層に対して、タイプ１超格子構造の電子障壁層を用いる光検出素子について開示されている。非特許文献４の光検出素子は、ＡｌＡｓＳｂとＧａＳｂとを交互に積層させたタイプ１超格子構造の電子障壁層を含む。【０００７】
特許文献１には、積層された複数の量子ドット層を有する赤外線検知部と、赤外線検知部の積層方向の端部に設けられ、量子井戸構造を有する少なくとも１層の暗電流低減層と、を有する赤外線検知器について開示されている。【０００８】
特許文献２には、光吸収部となる量子ドットを埋め込んだ中間層と、電位障壁となる量子ドットを埋め込んだ中間層とを積層させた構造を有する赤外線検知器について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１８４５１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１８６１８３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】J. B. Rodriguez, E. Plis, G. Bishop, Y. D. Sharma, H. Kim, L. R. Dawson, S. Krishna, “ｎＢｎ structure based on InAs/GaSb type-II strained layer superlattices”, Applied Physics Letters, vol.91, 043514, 2007
【非特許文献２】S. Maimon, and G. W. Wicks, “nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature,” Applied Physics Letters, vol.89, 151109, 2006
【非特許文献３】A. P. Craig et al., “Short-wave infrared barriode detectors using InGaAsSb absorption material lattice matched to GaSb,” Applied Physics Letters, vol.106, 201103 ,2015
【非特許文献４】A Haddadi, R. Chevallier, A. Dehzangi, M. Razeghi, “Extended short-wavelength infrared nBn photodetectors based on type-II InAs/AlSb/GaSb superlattices with an AlAsSb/GaSb superlattice barrier”, Applied Physics Letters, vol.110, 101104, 2017
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１〜４の光検出素子によれば、コンタクト層と受光層との間に、電子に対してポテンシャルの壁となる電子障壁層を導入することによって、暗電流を低下させることができる。しかしながら、非特許文献１〜４の光検出素子は、１５０ケルビンを超える高温動作を安定して実現するほどには、暗電流を抑制できないという課題があった。【００１２】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、暗電流の発生を抑制できる光検出素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様の光検出素子は、基板と、基板の上方に形成される受光層と、受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、電子障壁層の基材の半導体と、量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、暗電流の発生を抑制できる光検出素子を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の構成の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層の構成の一例を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層のバンド構造の一例を示す概念図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の製造方法について説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の受光層をアレイ状に形成する一例を示す概念図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子と読み出し回路とをフリップチップ接合する一例について説明するための概念図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の構成の一例を示す概念図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層の構成の一例を示す概念図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層のバンド構造の一例を示す概念図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の製造方法について説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る光検出素子の構造の一例を示す概念図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出装置の構成の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。また、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。
【００１７】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る光検出素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、バルク半導体の内部に量子ドットを埋め込んだ構造の電子障壁層を備える。
【００１８】
図１は、本実施形態の光検出素子１０の構成の一例を示す模式図である。図１のように、光検出素子１０は、基板１１、バッファ層１２、第１コンタクト層１３、電子障壁層１４、受光層１５、および第２コンタクト層１６を備える。なお、図１は、光検出素子１０の構成を概念的に示すものであり、各構成の縮尺を正確に表していない。
【００１９】
基板１１は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板１１は、化合物半導体材料で構成される。例えば、基板１１の半導体組成は、ガリウム・アンチモン（ＧａＳｂ）やインジウム・リン（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などである。なお、基板１１の材料は、ここで挙げた限りではない。基板１１を構成する材料は、バッファ層１２や、第１コンタクト層１３、電子障壁層１４、受光層１５、および第２コンタクト層１６に用いられる材料に合わせて選択すればよい。また、基板１１には、不純物がドープされていてもよい。
【００２０】
バッファ層１２は、基板１１の上面に形成される。バッファ層１２は、基板１１の上面の面方位に倣って結晶成長した層である。バッファ層１２は、基板１１と同じ材料で構成することが好ましい。
【００２１】
第１コンタクト層１３は、バッファ層１２の上面に形成される。第１コンタクト層１３は、ドーパントを含む。例えば、第１コンタクト層１３にｎ型ドーパントを導入する場合、ケイ素（Ｓｉ）を用いることができる。例えば、第１コンタクト層１３にｐ型ドーパントを用いる場合、ベリリウム（Ｂｅ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いることができる。なお、第１コンタクト層１３は、バッファ層１２と同じ組成にすることが好ましい。また、第１コンタクト層１３は、バッファ層１２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、基板１１の材料にＩｎＰを用いる場合、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを第１コンタクト層１３に用いることができる。
【００２２】
電子障壁層１４は、第１コンタクト層１３の上面に積層される。電子障壁層１４は、基材となるバルク半導体の内部に、そのバルク半導体よりもバンドギャップが狭い複数の量子ドットが含まれる構造を有する。電子障壁層１４の基材と量子ドットを構成する半導体組成は、格子定数が異なる。
【００２３】
図２は、電子障壁層１４の構成の一例を示す概念図である。図２のように、電子障壁層１４は、バルク層１４１の内部に、複数の量子ドット１４５が含まれる構造を有する。量子ドット１４５の半導体組成は、バルク層１４１の半導体組成よりもバンドギャップが狭い。量子ドット１４５は、バルク層１４１の結晶成長の途中で、バルク層１４１の材料よりも格子定数の大きい半導体組成の材料を数分子層積層した際に、界面の歪みが解消されるように自然形成される３次元的な島状構造である。このように、自然形成される量子ドットのことを自己形成量子ドットと呼ぶ。
【００２４】
例えば、電子障壁層１４は、バルク層１４１として結晶成長させたアルミニウム・ガリウム・アンチモン（ＡｌＧａＳｂ）の内部に、ＡｌＧａＳｂよりもバンドギャップの狭い半導体組成の量子ドット１４５を含む。例えば、ＡｌＧａＳｂよりもバンドギャップの狭い半導体組成としては、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）や、インジウム・ガリウム・アンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、インジウム・ヒ素・アンチモン（ＩｎＡｓＳｂ）が挙げられる。
【００２５】
図３は、図２に示すＡ−Ａ線（点線）で切断した断面におけるバンド構造の一例を示す概念図である。量子ドット１４５がバルク層１４１よりも狭バンドギャップであるため、量子ドット１４５内に離散化準位（量子ドット準位とも呼ぶ）が形成される。電子障壁層１４を透過しようとする電子のうち、量子ドット１４５内の離散化準位に合致したエネルギーの電子のみが量子ドット１４５を介した伝導に寄与する。すなわち、本実施形態の光検出素子１０においては、電子障壁層１４の内部における電子の透過率を低下させ、暗電流を抑制する。
【００２６】
電子障壁層１４を構成するバルク半導体の格子定数は、基板１１を構成する材料の格子定数と整合させることが好ましい。例えば、基板１１をＩｎＰで構成する場合、電子障壁層１４を構成するバルク半導体の格子定数は、ＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と整合させる。電子障壁層１４を構成するバルク半導体と、基板１１を構成する材料とが格子整合する条件（格子整合条件）は、電子障壁層１４と基板１１の半導体組成の格子定数の差が１パーセント以下であることが好ましい。また、電子障壁層１４と基板１１の半導体組成の格子定数の差は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。
【００２７】
例えば、電子障壁層１４を構成する半導体組成には、基板１１と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、基板１１にＩｎＰを用いる場合、基板１１に含まれるリン（Ｐ）が電子障壁層１４に含まれてもよい。また、電子障壁層１４には、基板に含まれないドーパントが含まれてもよい。
【００２８】
受光層１５は、電子障壁層１４の上面に積層される。受光層１５には、所望の赤外線に対する応答のよい材料を用いる。例えば、受光層１５には、バルクの化合物半導体や、少なくとも２種類の化合物半導体を積層させたタイプ２超格子構造を用いることができる。
【００２９】
タイプ２超格子構造は、少なくとも２種類の層（第１受光層・第２受光層）を短周期で交互に積層させた構造を有する。タイプ２超格子構造では、隣接し合う第１受光層と第２受光層との間におけるミニバンド間遷移を利用して、実効的に小さなバンドギャップを形成させる。タイプ２超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に異なる。言い換えると、タイプ２超格子構造では、電子と正孔とが異なる層に交互に閉じ込められる。
【００３０】
例えば、受光層１５には、第１受光層としてインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層を含み、第２受光層としてＧａＡｓＳｂ層を含むタイプ２超格子構造を用いることができる。これ以降、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層とを交互に積層したタイプ２超格子構造をＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂと記載する。
【００３１】
例えば、タイプ２超格子構造を有する受光層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを数１００ペア積層させて構成できる。ただし、受光層１５の積層数は、ここで挙げた限りではない。例えば、タイプ２超格子構造を有する受光層１５は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法、またはそれらに準ずる手法を用いて基板１１の上方に成長される。なお、受光層１５は、３種類以上の層を組み合わせたタイプ２超格子構造で構成してもよい。
【００３２】
受光層１５の結晶品質を高く保つためには、受光層１５を構成するタイプ２超格子構造の格子定数が基板１１を構成する材料の格子定数と整合していることが望ましい。受光層１５を構成するタイプ２超格子構造と、基板１１を構成する材料とが格子整合する条件（格子整合条件）は、受光層１５と基板１１の格子定数の差が１パーセント以下であることが好ましい。また、受光層１５と基板１１の格子定数の差は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。例えば、第１受光層の半導体組成としてＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成としてＧａＡｓ0.55Ｓｂを含むタイプ２超格子構造を受光層１５として用いることができる。
【００３３】
受光層１５には、基板１１を構成する材料と格子整合する条件を満たす範囲で、他の半導体組成が添加されていても構わない。また、受光層１５には、基板１１に含まれる材料が含まれてもよい。例えば、基板１１の半導体組成をＩｎＰとする場合、受光層１５にＰが含まれてもよい。また、受光層１５には、基板１１の材料に含まれないドーパントが混在してもよい。
【００３４】
第２コンタクト層１６は、受光層１５の上面に積層される。第２コンタクト層１６は、ドーパントを含む。例えば、ｎ型ドーパントを用いる場合、Ｓｉを用いることができる。例えば、ｐ型ドーパントを用いる場合、ＢｅやＺｎを用いることができる。第２コンタクト層１６は、バッファ層１２と同じ組成にすることが好ましい。なお、第２コンタクト層１６は、バッファ層１２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、基板１１の材料にＩｎＰを用いる場合、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを第２コンタクト層１６に用いることができる。第２コンタクト層１６は、必ずしも基板１１と格子整合させなくてもよいため、第１コンタクト層１３と比べて材料の選択の幅が広い。
【００３５】
以上が、本実施形態の光検出素子１０の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子１０の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子１０の構成を限定するものではない。
【００３６】
〔製造方法〕
次に、光検出素子１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。図４は、光検出素子１０の製造方法について説明するためのフローチャートである。
【００３７】
図４において、まず、基板１１の上面にバッファ層１２を積層する（ステップＳ１１）。
【００３８】
次に、バッファ層１２の上面に第１コンタクト層１３を積層する（ステップＳ１２）。第１コンタクト層１３の組成は、バッファ層１２と同じでもよいし、バッファ層１２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。
【００３９】
次に、第１コンタクト層１３の上面にバルク層１４１を積層する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３においては、電子障壁層１４の膜厚分のバルク層１４１を一度に積層させず、量子ドット１４５を形成させる位置に合わせた厚さのバルク層１４１を積層する。
【００４０】
次に、積層途中のバルク層１４１の上面に量子ドット１４５を形成する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４においては、積層途中のバルク層１４１の上面に、量子ドット１４５の材料層を薄く積層する。バルク層１４１と量子ドット１４５の材料の格子定数の差が大きいと、量子ドット１４５の材料層の歪みを解消するように、Ｓ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードによって量子ドット１４５が自己形成される。例えば、バルク層１４１としてＡｌＡｓ0.55Ｓｂを積層し、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂの上面にＩｎＡｓ0.26Ｓｂを薄く積層すると、格子定数が８．５パーセント異なるため、Ｓ−Ｋ成長モードによってＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット１４５が自己形成する。
【００４１】
積層途中のバルク層１４１の上面に量子ドット１４５を形成する際には、フラックスを変更する。例えば、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂをバルク層１４１として積層している途中で、ＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット１４５を形成する際には、Ａｓ比率を０．５５から０．２６に変更し、Ｓｂ比率を０．４５から０．７４に変更する。例えば、分子線エピタキシー法を用いて量子ドット１４５を形成する際には、フラックスの変更に合わせてセル温度を変更する。
【００４２】
次に、量子ドット１４５を形成したバルク層１４１の上面にバルク層１４１を追加積層し、バルク層１４１の内部に量子ドット１４５を埋め込む（ステップＳ１５）。
【００４３】
電子障壁層１４が完成していない場合（ステップＳ１６でＮｏ）、ステップＳ１４に戻り、積層途中のバルク層１４１の上面に量子ドット１４５を形成する（ステップＳ１４）。
【００４４】
一方、電子障壁層１４が完成した場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、電子障壁層１４の上面に受光層１５を積層する（ステップＳ１７）。
【００４５】
そして、受光層１５の上面に第２コンタクト層１６を積層する（ステップＳ１８）。
【００４６】
以上が、本実施形態の光検出素子１０の製造方法についての説明である。光検出素子１０の製造方法においては、電子障壁層１４を積層する際に、バルク層１４１を断続的に積層する工程（ステップＳ１３およびステップＳ１５）と、積層途中のバルク層１４１の表面に量子ドット１４５を形成する工程（ステップＳ１４）とを繰り返す。なお、図４のフローチャートに沿った光検出素子１０の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子１０の製造方法を限定するものではない。
【００４７】
〔赤外線検出素子〕
次に、本実施形態の光検出素子１０を加工して製造される赤外線検出素子について図面を参照しながら説明する。
【００４８】
図５は、基板１１の上面に形成した赤外線検出構造を複数のメサ構造１１０（検出単位とも呼ぶ）に加工した赤外線検出素子１００の一例を示す模式図である。メサ構造１１０の最上端には、第２コンタクト層１６の最上面に形成させた上部電極が位置する。
【００４９】
メサ構造１１０は、フォトリソグラフィーやウエットエッチングなどの微細加工プロセスを用いて形成できる。メサ構造１１０の上端に、金属蒸着とアニーリングによって電極構造を作製すれば、アレイ状に配列された検出単位を有する赤外線検出素子１００を製造できる。
【００５０】
図６は、読み出し回路１２０に赤外線検出素子１００をフリップチップ接合して構成した赤外線センサアレイ１３０の一例を示す模式図である。赤外線センサアレイ１３０は、赤外線検出素子１００と、シリコン基板上に形成された読み出し回路とをフリップチップ接合することによって製造できる。
【００５１】
例えば、赤外線センサアレイ１３０の作製プロセスは、非特許文献５に開示されている。
（非特許文献５：H. S. Kim et al., “Mid-IR focal plane array based on type-II strain layer superlattice detector with nBn design,” Applied Physics Letters, vol.92, 183502, 2008）
赤外線検出素子１００を動作させるためには、第１コンタクト層１３に形成した下部電極（図示しない）と、第２コンタクト層１６に形成した上部電極（図示しない）との間にバイアス電圧を印加する。より具体的には、下部電極側（第１コンタクト層１３側）が負バイアスとなるような電圧を印加する。バンド間遷移によって赤外線を検出するタイプの受光層の場合、基板１１の裏面から赤外線が入射すると、受光層１５において電子と正孔とが生成される。第１コンタクト層１３と第２コンタクト層１６との間にバイアス電圧が印加されているため、電子は上部電極側（第２コンタクト層１６側）に伝導し、正孔は下部電極側（第１コンタクト層１３側）に伝導する。
【００５２】
以上のように、本実施形態の光検出素子は、コンタクト層と受光層との間に、量子ドットを含む電子障壁層を挟み込む。本実施形態の光検出素子の電子障壁層は、電子障壁層の積層途中に、電子障壁層の半導体組成よりも格子定数が長く狭バンドギャップの半導体組成からなる量子ドットを自己形成させることによって構成できる。本実施形態の光検出素子によれば、量子ドットを含む電子障壁層によって、電子の透過率を低下させることができるため、暗電流を効率的に抑制できる。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光検出素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、タイプ１超格子構造を有する電子障壁層の内部に量子ドットが含まれる点で第１の実施形態とは異なる。以下において、第１の実施形態の光検出素子１０と同様の構成・機能については説明を省略する場合がある。
【００５４】
図７は、本実施形態の光検出素子２０の構成の一例を示す模式図である。図７のように、光検出素子２０は、基板２１、バッファ層２２、第１コンタクト層２３、電子障壁層２４、受光層２５、および第２コンタクト層２６を備える。なお、図７は、光検出素子２０の構成を概念的に示すものであり、各構成の縮尺を正確に表していない。
【００５５】
基板２１は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板２１は、第１の実施形態の基板１１と同様である。
【００５６】
バッファ層２２は、基板２１の上面に形成される。バッファ層２２は、第１の実施形態のバッファ層１２と同様である。
【００５７】
第１コンタクト層２３は、バッファ層２２の上面に形成される。第１コンタクト層２３は、第１の実施形態の第１コンタクト層１３と同様である。
【００５８】
電子障壁層２４は、第１コンタクト層２３の上面に積層される。電子障壁層２４は、量子ドットを含むタイプ１超格子構造を有する。タイプ１超格子構造は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される層によって、第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される層を挟み込んだ構造を有する。タイプ１超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に同じである。電子障壁層２４に含まれるタイプ１超格子構造は、少なくとも２種類の層を短周期で交互に積層させた構造を有する。以下においては、２種類の層を交互に積層したタイプ１超格子構造を含む電子障壁層２４を例に挙げて説明する。なお、電子障壁層２４は、３種類以上の層を組み合わせて構成してもよい。
【００５９】
図８は、電子障壁層２４の構成の一例を示す概念図である。図８のように、電子障壁層２４は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第１障壁層２４１と、第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第２障壁層２４２とを交互に積層したタイプ１超格子構造を有する。量子ドット２４５は、第１障壁層２４１の上面に形成され、第２障壁層２４２（井戸層に相当）の内部に埋め込まれる。量子ドット２４５は、第２障壁層２４２よりも狭い第３のバンドギャップを有する。量子ドット２４５は、電子障壁層２４の結晶成長の途中で、第１障壁層２４１の材料よりも格子定数の大きい半導体組成を数分子層積層した際に、界面の歪みが解消されるように自然形成される。なお、量子ドット２４５は、第２障壁層の内部のいずれに形成させていてもよいが、本実施形態では第１障壁層２４１の成長直後に形成する例を示す。
【００６０】
量子ドット２４５には、第１の実施形態と同様に、ＩｎＳｂやＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ等を用いることができる。以下においては、ＡｌＡｓＳｂを第１障壁層２４１とし、ＧａＡｓＳｂを第２障壁層２４２とするＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ超格子をタイプ１超格子構造として含む電子障壁層２４を例に挙げる。
【００６１】
例えば、基板２１としてＩｎＰ基板を用い、受光層２５としてタイプ２超格子構造のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ0.55Ｓｂ超格子を用いる場合、それらの層と格子整合するＡｌＡｓ0.55Ｓｂ／ＧａＡｓ0.55Ｓｂ超格子を電子障壁層２４として用いることができる。第１障壁層２４１（ＡｌＡｓＳｂ）の成長直後にＩｎＡｓ0.26Ｓｂを薄く積層すると、ＩｎＡｓＳｂによって構成される量子ドット２４５が自己形成する。その後、量子ドット２４５が形成された第１障壁層２４１（ＡｌＡｓＳｂ）の上面に第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）を積層させることによって、量子ドット２４５（ＩｎＡｓＳｂ）を内包する第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）を形成できる。
【００６２】
例えば、第２障壁層２４２としてＧａＡｓ0.55Ｓｂを用いる場合、ＩｎＡａ0.26Ｓｂを量子ドット２４５として構成できる。ＩｎＡａＳｂのＡｓ比率が０．２６の場合、ＧａＡｓ0.55ＳｂとＩｎＡｓＳｂの価電子帯端が一致する。ＩｎＡａ0.26ＳｂとＧａＡｓ0.55Ｓｂの価電子帯端が一致すると、正孔に対しては、第２障壁層２４２と量子ドット２４５とが等ポテンシャルになる。そのため、正孔に対しては、量子ドット２４５中に量子準位が形成されず、受光層２５がタイプ２超格子構造を有する場合、電子障壁層２４の正孔ミニバンドと受光層２５の正孔ミニバンドとを連続的に形成することができる。
【００６３】
一方、ＩｎＡｓ0.26ＳｂはＧａＡｓ0.55Ｓｂよりも深いポテンシャルの井戸となるため、電子に対しては量子準位が形成される。電子障壁層２４の内部を透過しようとする電子のうち、量子準位に合致したエネルギーの電子のみが、量子ドット２４５を介した伝導に寄与する。その結果、電子障壁層２４の電子透過率が低下し、暗電流が抑制される。
【００６４】
例えば、電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造の格子定数は、基板２１を構成する材料の格子定数と整合させることが好ましい。基板２１をＩｎＰで構成する場合、電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造の格子定数は、ＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と整合させる。電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造と、基板２１を構成する材料とが格子整合する条件（格子整合条件）は、電子障壁層２４と基板２１の半導体組成の格子定数の差が１パーセント以下であることが好ましい。また、電子障壁層２４と基板２１の半導体組成の格子定数の差は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。
【００６５】
例えば、電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造には、基板２１と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、基板２１としてＩｎＰ基板を用いる場合、電子障壁層２４には、基板２１に含まれるリン（Ｐ）が含まれてもよい。
【００６６】
電子障壁層２４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＡｓ比率は、基板２１と格子整合する条件であればどのような値でも構わない。例えば、電子障壁層２４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＡｓ比率は０．５５に設定できる。
【００６７】
一方、電子障壁層２４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）のＡｓ比率は、０．５６付近が最適値である。なぜならば、ＡｌＡｓの格子定数（５．６６０５オングストローム）とＡｌＳｂの格子定数（６．１３５５オングストローム）とを線形補間すると、Ａｓ比率が０．５６付近でＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と一致するからである。ＡｌＡｓ0.55Ｓｂは、ＩｎＰとの格子定数の差が約０．１パーセントと見積もられ、上述した格子整合条件のうちで最も好ましい格子整合条件（０．２パーセント以下）を満たす。なお、電子障壁層１４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）のＡｓ比率は０．５５に限定されない。
【００６８】
図９は、図８に示すＢ−Ｂ線（点線）で切断した断面におけるバンド構造の一例を示す概念図である。量子ドット２４５が狭バンドギャップであるため、量子ドット２４５内には離散化準位（量子ドット準位とも呼ぶ）が形成される。電子障壁層２４を透過しようとする電子のうち、量子ドット２４５内の離散化準位に合致したエネルギーの電子のみが量子ドット２４５を介した伝導に寄与する。すなわち、本実施形態の光検出素子２０においては、電子障壁層２４の内部における電子の透過率を低下させ、暗電流を抑制する。
【００６９】
受光層２５は、電子障壁層２４の上面に積層される。受光層２５は、第１の実施形態の受光層１５と同様である。
【００７０】
第２コンタクト層２６は、受光層２５の上面に積層される。第２コンタクト層２６は、第１の実施形態の第２コンタクト層１６と同様である。
【００７１】
以上が、本実施形態の光検出素子２０の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子２０の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子２０の構成を限定するものではない。
【００７２】
〔製造方法〕
次に、光検出素子２０の製造方法について図面を参照しながら説明する。図１０は、光検出素子２０の製造方法について説明するためのフローチャートである。
【００７３】
図１０において、まず、基板２１の上面にバッファ層２２を積層する（ステップＳ２１）。
【００７４】
次に、バッファ層２２の上面に第１コンタクト層２３を積層する（ステップＳ２２）。第１コンタクト層２３の組成は、バッファ層２２と同じでもよいし、バッファ層２２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。
【００７５】
次に、第１コンタクト層１３の上面に第１障壁層２４１を積層する（ステップＳ２３）。
【００７６】
次に、第１障壁層２４１の上面に量子ドット２４５を形成する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４においては、第１障壁層２４１の上面に、量子ドット２４５の材料層を薄く積層する。第１障壁層２４１と量子ドット２４５の材料の格子定数の差が大きいと、量子ドット２４５の材料層の歪みを解消するように、Ｓ−Ｋ成長モードによって量子ドット２４５が自己形成される。例えば、第１障壁層２４１としてＡｌＡｓ0.55Ｓｂを積層し、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂの上面にＩｎＡｓ0.26Ｓｂを薄く積層すると、格子定数が８．５パーセント異なるため、Ｓ−Ｋ成長モードによってＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット２４５が自己形成する。
【００７７】
第１障壁層２４１の上面に量子ドット２４５を形成する際には、フラックスを変更する。例えば、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂを第１障壁層２４１として積層している途中で、ＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット２４５を形成する際には、Ａｓ比率を０．５５から０．２６に変更し、Ｓｂ比率を０．４５から０．７４に変更する。そのため、例えば、分子線エピタキシー法を用いて量子ドット２４５を形成する際には、フラックスを変更するためにセル温度を変える。
【００７８】
次に、量子ドット２４５を形成した第１障壁層２４１の上面に第２障壁層２４２を積層し、第２障壁層２４２の内部に量子ドット２４５を埋め込む（ステップＳ２５）。
【００７９】
次に、第２障壁層２４２の上面に第１障壁層２４１を積層する（ステップＳ２６）。
【００８０】
電子障壁層２４が完成していない場合（ステップＳ２７でＮｏ）、ステップＳ２４に戻り、第１障壁層２４１の上面に量子ドット２４５を形成する（ステップＳ２４）。
【００８１】
一方、電子障壁層２４が完成した場合（ステップＳ２７でＹｅｓ）、電子障壁層２４の上面に受光層２５を積層する（ステップＳ２８）。
【００８２】
そして、受光層２５の上面に第２コンタクト層２６を積層する（ステップＳ２９）。
【００８３】
以上が、本実施形態の光検出素子２０の製造方法についての説明である。光検出素子２０の製造方法においては、電子障壁層２４を積層する際に、第１障壁層２４１を積層する工程と、第１障壁層２４１の表面に量子ドット２４５を形成する工程と、第２障壁層２４２の内部に量子ドット２４５を埋め込む工程とを繰り返す。なお、図１０のフローチャートに沿った光検出素子２０の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子２０の製造方法を限定するものではない。
【００８４】
以上のように、本実施形態の光検出素子は、コンタクト層と受光層との間に、量子ドットを含むタイプ１超格子構造の電子障壁層を挟み込む。本実施形態の光検出素子の電子障壁層は、タイプ１超格子構造の電子障壁層を構成する第２障壁層の内部に、第１障壁層および第２障壁層の半導体組成よりも格子定数が長く狭バンドギャップの半導体組成からなる量子ドットを自己形成させることによって構成できる。
【００８５】
例えば、電子障壁層は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第１障壁層と、第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有する。第２障壁層は、第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ第１障壁層および第２障壁層の半導体組成よりも格子定数が大きい半導体組成の量子ドットを含む。例えば、電子障壁層は、第１障壁層の上面に自己形成された量子ドットを含む。
【００８６】
例えば、受光層は、第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有する。例えば、量子ドットと第２障壁層の価電子帯が一致し、受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する。
【００８７】
例えば、受光層は、第１受光層の半導体組成がＩｎＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成がＧａＡｓＳｂを含む。例えば、受光層は、第１受光層の半導体組成がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む。例えば、電子障壁層は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓＳｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓＳｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓＳｂを含む。例えば、電子障壁層は、第１障壁層と第２障壁層の半導体組成のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい。なお、Ｖ族元素とは、元素周期表の第１５族に属する元素の総称である。例えば、ＡｓやＳｂ、Ｐ等が代表的なＶ族元素である。例えば、電子障壁層は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む。
【００８８】
本実施形態の光検出素子によれば、タイプ１超格子構造の電子障壁層に量子ドットが含まれるため、第１の実施形態と比べて、電子障壁層における電子の透過率を低下させ、暗電流をさらに抑制できる。
【００８９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光検出素子３０について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子３０は、第１の実施形態の光検出素子１０や第２の実施形態の光検出素子２０を上位概念化した構成である。
【００９０】
図１１は、本実施形態の光検出素子３０の構成の一例を示す概念図である。図１１のように、光検出素子３０は、基板３１、電子障壁層３４、および受光層３５を備える。
【００９１】
基板３１は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板３１は、第１の実施形態の基板１１と同様である。
【００９２】
電子障壁層３４は、受光層３５に接して形成され、複数の量子ドット３４５を含む。電子障壁層３４の基材と量子ドット３４５を構成する半導体組成は、格子定数が異なる。電子障壁層３４は、第１の実施形態の電子障壁層１４または第２の実施形態の電子障壁層２４と同様である。
【００９３】
例えば、電子障壁層３４は、複数の量子ドット３４５が埋め込まれたバルク半導体を含む。バルク半導体よりも量子ドット３４５の半導体組成の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい。
【００９４】
例えば、バルク半導体は、ＡｌＧａＳｂの半導体組成で構成され、量子ドット３４５は、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、およびＩｎＡｓＳｂから成る群より選ばれる半導体組成で構成される。
【００９５】
例えば、電子障壁層３４は、複数の量子ドット３４５が埋め込まれたタイプ１超格子構造によって構成される。例えば、電子障壁層３４は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第１障壁層と、第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有する。例えば、第２障壁層は、第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ第２障壁層の半導体組成よりも格子定数が大きい半導体組成の量子ドット３４５を含む。例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層の上面に自己形成された量子ドット３４５を含む。
【００９６】
例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓＳｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓＳｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓＳｂを含む。例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層と第２障壁層の半導体組成のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい。
【００９７】
受光層３５は、基板３１の上方に形成され、電子障壁層３４に接して形成される。受光層３５は、第１の実施形態の受光層１５と同様である。なお、受光層３５は、基板３１の上面に接していなくてもよく、図示しないバッファ層やコンタクト層を挟んで、基板３１の上方に形成される。
【００９８】
例えば、受光層３５は、互いにバンドギャップの異なる第１受光層と第２受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する。
【００９９】
例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む。例えば、受光層３５は、第１受光層の半導体組成がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む。
【０１００】
例えば、電子障壁層３４および受光層３５のうち少なくとも一方がＰを含む。
【０１０１】
例えば、光検出素子３０は、電子障壁層３４および受光層３５を挟み込む２つのコンタクト層を備え、２つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がｎ型ドーパントを含む。例えば、光検出素子３０は、２つのコンタクト層のいずれかと基板３１との間に、基板３１と同一材料によって構成され、基板３１の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える。
【０１０２】
本実施形態の光検出素子によれば、第１および第２の実施形態と同様に、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供できる。
【０１０３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出装置（赤外線カメラとも呼ぶ）について図面を参照しながら説明する。本実施形態の赤外線検出装置は、第１〜第３の実施形態のいずれかの光検出素子を備える。
【０１０４】
図１２は、本実施形態の赤外線検出装置４０の構成の一例を示す概念図である。図１２のように、赤外線検出装置４０は、赤外線光学系４１、赤外線検出素子４２、読み出し回路４３、および出力回路４４を備える。
【０１０５】
赤外線光学系４１は、赤外線検出素子４２の受光部に赤外光を集光するレンズを含む。赤外線光学系４１は、少なくとも１枚のレンズを含む。赤外線光学系４１のレンズは、赤外光の透過率が高く、赤外線検出素子４２の受光面に赤外光を屈折させる材料で構成される。例えば、赤外線光学系４１のレンズの材料には、ゲルマニウムやシリコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、カルコゲナイドガラスなどを適用できる。赤外線光学系４１のレンズは、検出対象の赤外光の波長によって選択すればよい。なお、赤外線光学系４１は、特定の波長領域の光を遮蔽したり、透過させたりするフィルタを含んでもよい。また、赤外線光学系４１は、赤外線検出素子４２の受光部に赤外光が導光されるための反射鏡や、赤外線の光量を制御するための絞りを含んでもよい。
【０１０６】
赤外線検出素子４２は、第１〜第３の実施形態の光検出素子をアレイ状に加工することによって形成された赤外光検出構造を有する。言い換えると、赤外線検出素子４２は、所望の赤外線に対する透過率の高い基板上に、例えばタイプ２超格子構造の受光層と、タイプ１超格子構造の電子障壁層とを積層した検出単位がアレイ状に配列された構造を有する。アレイ状に加工された赤外線検出素子４２の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが独立して赤外線を検知する。アレイ状に加工された赤外線検出素子４２の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが赤外画像の画素に対応する。
【０１０７】
読み出し回路４３は、赤外線検出素子４２に接続される。例えば、読み出し回路４３は、図６のように、赤外線検出素子４２とフリップチップ接合される。赤外線検出素子４２と読み出し回路４３とによって、赤外線センサアレイが構成される。読み出し回路４３は、赤外線検出素子４２によって検出される赤外線を赤外線検出素子４２の検出単位（画素）ごとに読み出す。
【０１０８】
出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号を出力する。例えば、出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号を外部のシステムに出力する。例えば、出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号から赤外画像を生成し、生成した赤外画像を自装置に設置されたモニターに表示させてもよい。
【０１０９】
赤外線検出装置４０は、赤外線検出素子４２を冷却する冷却装置を含んでもよい。例えば、赤外線検出素子４２を冷却する冷却装置にはペルチェ素子などを用いることができる。赤外線検出素子４２を低温に冷却すれば、熱雑音を低減できるため感度が向上する。また、赤外線検出素子４２を低温に冷却すれば、赤外光に対する応答速度を維持できる。
【０１１０】
以上のように、本実施形態によれば、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を搭載する赤外線カメラを提供できる。
【０１１１】
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【０１１２】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
基板と、
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子。
（付記２）
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたバルク半導体を含み、
前記バルク半導体よりも前記量子ドットの半導体の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい付記１に記載の光検出素子。
（付記３）
前記バルク半導体は、
ＡｌＧａＳｂの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、およびＩｎＡｓＳｂから成る群より選ばれる半導体で構成される付記２に記載の光検出素子。
（付記４）
前記バルク半導体は、
ＡｌＧａＳｂの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
ＩｎＡｓＳｂの半導体で構成される付記２に記載の光検出素子。
（付記５）
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたタイプ１超格子構造によって構成される付記１に記載の光検出素子。
（付記６）
前記電子障壁層は、
第１のバンドギャップを有する半導体によって構成される第１障壁層と、前記第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有し、
前記第２障壁層は、
前記第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ前記第１障壁層および前記第２障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む付記５に記載の光検出素子。
（付記７）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む付記６に記載の光検出素子。
（付記８）
前記受光層は、
互いにバンドギャップの異なる第１受光層と第２受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する付記１乃至７のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記９）
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第２障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する付記６または７に記載の光検出素子。
（付記１０）
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓＳｂを含む付記９に記載の光検出素子。
（付記１１）
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む付記９に記載の光検出素子。
（付記１２）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓＳｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓＳｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓＳｂを含む付記９乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１３）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層と前記第２障壁層の半導体のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい付記１２に記載の光検出素子。
（付記１４）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む付記９乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１５）
前記電子障壁層および前記受光層のうち少なくとも一方がＰを含む付記１乃至１４のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１６）
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む２つのコンタクト層を備え、
２つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がｎ型ドーパントを含む付記１乃至１５のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１７）
２つの前記コンタクト層のいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える付記１６に記載の光検出素子。
（付記１８）
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する付記１乃至１７のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１９）
付記１８に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。
【符号の説明】
【０１１３】
１０、２０、３０    光検出素子
１１、２１、３１    基板
１２、２２    バッファ層
１３、２３    第１コンタクト層
１４、２４、３４    電子障壁層
１５、２５、３５    受光層
１６、２６    第２コンタクト層
４０    赤外線検出装置
４１    赤外線光学系
４２    赤外線検出素子
４３    読み出し回路
４４    出力回路
１４１    バルク層
１４５、２４５、３４５    量子ドット
２４１    第１障壁層
２４２    第２障壁層
【図１】
2019215903.tif 000003
【図２】
2019215903.tif 000004
【図３】
2019215903.tif 000005
【図４】
2019215903.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2019215903.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019215903.tif 000011
【図１０】
2019215903.tif 000012
【図１１】
2019215903.tif 000013
【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年10月23日(2020.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子。
【請求項２】
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたバルク半導体を含み、
前記バルク半導体よりも前記量子ドットの半導体の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたタイプ１超格子構造によって構成される請求項１に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記電子障壁層は、
第１のバンドギャップを有する半導体によって構成される第１障壁層と、前記第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有し、
前記第２障壁層は、
前記第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ前記第１障壁層および前記第２障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む請求項３に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む請求項４に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第２障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する請求項４または５に記載の光検出素子。
【請求項７】
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓＳｂを含む請求項６に記載の光検出素子。
【請求項８】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓＳｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓＳｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓＳｂを含む請求項６または７に記載の光検出素子。
【請求項９】
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。
【国際調査報告】
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2019215903.tif 000016
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