JP4583194B2 - 赤外線検知器 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線検知器に関し、特に、量子ドットを複数の埋め込み層で埋め込んだ量子ドット構造体を用い、量子ドット構造体に赤外線が吸収されたときの電子遷移を利用して赤外線を検知する赤外線検知器に関する。

従来、赤外線検知器には、赤外線を吸収してキャリアを放出する量子井戸層を、そこから放出されたキャリアを受けるバリア層で埋め込んだ量子井戸構造体を用いた量子井戸型赤外線検知器（Quantum Well Infrared Photodetector、ＱＷＩＰ）が利用されていた。

近年では、量子井戸構造体に比べてより感度を高めることのできる量子ドット構造体を赤外線検知器に用いる試みもなされている。このような量子ドット型赤外線検知器（Quantum Dot Infrared Photodetector、ＱＤＩＰ）は、赤外線を吸収してキャリアを放出する量子ドットを、キャップ層とバリア層とで埋め込んだ量子ドット構造体を用いる。ＱＤＩＰでは、赤外線を吸収して量子ドットからキャリアが放出された後、他の量子ドットにそのキャリアが捕獲されるまでの時間が長く、量子ドットのキャリア数変動に対する電流量変動が大きくなる。これは、光伝導ゲインが大きいことを表し、単位フォトン数に対する感度が高いことを表している。

ここで、キャリア数変動には、ノイズ成分としてのキャリア数変動も含まれ、例えば、次のような式で定義される。
Ｓ＝Ｉ_photo＝ｅΦηｇ ・・・（１）
Ｎ＝(４ｅＩ_photoｇＢ)^0.5＝２ｅｇ(ΦηＢ)^0.5 ・・・（２）
式（１）、（２）において、Ｓ及びＩ_photoは信号値、ｅは電荷量、Φは単位フォトン数、ηはフォトンからキャリアへの変換効率、ｇは光伝導ゲイン、Ｎはノイズ信号値、Ｂは周波数である。

しかし、目標となる赤外線以外の要素、例えば背景光等によってキャリア数変動が常に起こっている状況では、ノイズ成分としてのキャリア数変動に対する電流量変動も大きい。式（１）、（２）から明らかなように、光伝導ゲインｇが大きくなると、信号値Ｓだけでなくてノイズ信号値Ｎも大きくなる。

このノイズ信号値Ｎを小さくするため、量子ドットから放出されたキャリアを受けるバリア層において、量子ドットに極めて近い位置にバリア層より電子エネルギポテンシャルが低いキャップ層を形成している。このキャップ層は、電子エネルギポテンシャルの低いキャリアを捕獲し、量子ドットにキャリアを再充電している。つまり、キャップ層は、量子ドットから放出されたキャリアを捕獲し、光伝導ゲインｇを小さくしている。ここで、キャリアが十分に捕獲されると光伝導ゲインｇが小さくなって感度が低くなってしまうので、通常は量子ドット構造体を約５回から１０回繰り返し積層することによって赤外線吸収量を増加させて感度を高めるようにしている。

ところで、ＧａＡｓ基板やＧａＡｓ層上に、ＩｎＡｓの量子ドットを散在させ、この上に、キャップ層とするＩｎＧａＡｓ、バリア層とするＧａＡｓを順にエピタキシャル成長させ、これを繰り返し積層することにより、量子ドット構造体の積層構造を形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開平８−８８３４５号公報

しかし、特許文献１によって開示された量子ドット構造体のように、ＩｎＡｓの量子ドットを埋め込むキャップ層及びバリア層にそれぞれＩｎＧａＡｓ及びＧａＡｓを用いた場合には、両者の格子定数の差が比較的大きいため、キャップ層とバリア層との間の格子不整合が大きくなる。量子ドット構造体にこのような大きな格子不整合が存在すると、これを積層したときに結晶欠陥が発生しやすくなるという問題点があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、量子ドット構造体をより多く繰り返し積層可能な赤外線検知器を提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために、図１に例示するように、赤外線を検知する赤外線検知器において、ＡｌＧａＡｓのバリア層と、前記バリア層の上方に配置された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むＧａＡｓのキャップ層と、を有する量子ドット構造体を備える赤外線検知器が提供される。

このような赤外線検知器によれば、キャップ層１ｂにＧａＡｓを用いてバリア層１ｃにＡｌＧａＡｓを用い、格子定数の類似する材料を用いる。それにより、キャップ層１ｂ及びバリア層１ｃの間の格子不整合が小さくなるので、量子ドット構造体を積層した場合でも結晶欠陥の発生が抑えられる。

本発明では、赤外線を吸収してキャリアを放出する量子ドットを、格子定数の類似するキャップ層及びバリア層によって埋め込むようにする。
このようにすると、量子ドット構造体を積層した場合でも結晶欠陥の発生が抑えられるようになるので、量子ドット構造体をより多く繰り返し積層可能になる。これにより、高感度の赤外線検知器が実現可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態の光吸収部の一例の要部断面模式図、図２は量子ドット構造体のエネルギ帯構造図である。

赤外線検知器は、複数の量子ドット構造体が積層された光吸収部１を有している。量子ドット構造体は、キャップ層１ｂが量子ドット１ａの上面に接するようにして設けられ、これら量子ドット１ａ及びキャップ層１ｂがバリア層１ｃで埋め込まれた構成を有している。

ここで、量子ドット１ａには、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓが用いられる。キャップ層１ｂには、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓが用いられる。バリア層１ｃには、ＡｌＧａＡｓが用いられる。ただし、バリア層１ｃには、キャップ層１ｂにＡｌＧａＡｓが用いられる場合、バリア層１ｃのＡｓの組成がキャップ層１ｂのＡｌの組成よりも大きいＡｌＧａＡｓが用いられる。

このような構成の光吸収部１は、まず、分子線エピタキシャル成長（Molecular Beam Epitaxy、ＭＢＥ）法により、例えばＧａＡｓ基板上に、外部への電気的接続のために厚さ約５０００Åのｎ型の下部コンタクト層を成長させた後、その上に例えば厚さ約３００Å〜５００ÅのＡｌＧａＡｓを成長させてバリア層１ｃを形成する。次いで、例えば分子層単位で２ＭＬ〜３ＭＬのＩｎＡｓを通常よりも低温の約５００℃で供給し、自己組織化現象を利用してＩｎＡｓを島状に形成する。これにより、直径約２００Å〜４００Å、高さ約３０Å〜５０ÅのＩｎＡｓの量子ドット１ａが形成される。次いで、この量子ドット１ａを上面から埋め込むように、例えば厚さ約３０Å〜５０ÅのＧａＡｓを成長させ、キャップ層１ｂを形成する。次いで、このキャップ層１ｂ上に、例えば厚さ約３００Å〜５００ÅのＡｌＧａＡｓを成長させてバリア層１ｃを形成する。このようにしてバリア層１ｃ、量子ドット１ａ及びキャップ層１ｂを繰り返し成長させることにより、下部コンタクト層の上に光吸収部１を形成する。光吸収部１の形成後は、さらにその上に外部への電気的接続用として厚さ約５０００Åのｎ型の上部コンタクト層を成長させる。

ここで述べたようにキャップ層１ｂにＧａＡｓ、バリア層１ｃにＡｌＧａＡｓを用いるほか、キャップ層１ｂ及びバリア層１ｃに上記のような材料を用いた場合、両層の格子定数が類似するので、格子定数の差が従来のようにキャップ層及びバリア層にそれぞれＩｎＧａＡｓ及びＧａＡｓを用いた場合に比べて小さくなり、両層間の格子不整合が抑えられるようになる。

このようにして形成される光吸収部１の量子ドット構造体において、量子ドット１ａ、キャップ層１ｂ及びバリア層１ｃの伝導帯のエネルギ準位は、図２に例示するように、それぞれ準位Ａ、準位Ｂ及び準位Ｃである。このように、キャップ層１ｂは、電子エネルギポテンシャルが量子ドット１ａよりも高く、バリア層１ｃは、電子エネルギポテンシャルがキャップ層１ｂよりも高い。

次に、図１の模式図の動作について説明する。
量子ドット１ａから放出されたキャリアは、量子ドット１ａ、キャップ層１ｂ及びバリア層１ｃの伝導帯を移動できるエネルギを得ると、上部と下部のコンタクト層間に与えられた電界に従って流れる。すなわち、赤外線の吸収によって量子ドット１ａの価電子帯のキャリアが励起され、量子ドット１ａの準位Ａ、キャップ層１ｂの準位Ｂ、バリア層１ｃの準位Ｃを超えると、上部と下部のコンタクト層間に電流が流れるようになる。

その後、バリア層１ｃで、量子ドット１ａから放出されたキャリアが、与えられた電界に従って電流が流れる。また、キャップ層１ｂにより、ノイズ成分としての量子ドット１ａから放出されたキャリアが捕獲され、量子ドット１ａにキャリアが再充電される。

赤外線検知器は、このような光吸収部１を１画素とし、例えば１枚のＧａＡｓ基板上に多数の光吸収部１を整列配置して構成される。各光吸収部１では、多くの赤外線が吸収されるとその分多くのキャリアが放出されるため、それを利用することにより、赤外線検知器では、対象物の温度に応じた画像が生成されるようになる。

このように、第１の実施の形態の赤外線検知器では、量子ドット構造体のキャップ層１ｂ及びバリア層１ｃの間の格子不整合が小さくなるようにしたので、量子ドット構造体を積層して光吸収部１を形成したときに結晶欠陥が発生しにくい。量子ドット構造体を上記のような材料を用いて形成すれば、これを２０回以上繰り返し積層することが可能になる。そして、それにより、１つの光吸収部１内すなわち１画素内に、より多くの量子ドット１ａを存在させることが可能になるので、赤外線検知器の感度を高めることができるようになる。

また、この第１の実施の形態では、ノイズ成分としてのキャリアをキャップ層１ｂが捕獲するので、キャリア数変動に対する電流量変動を小さく抑えることが可能になる。
なお、この第１の実施の形態では、１種の材料でキャップ層１ｂを形成する場合を例にして述べたが、キャップ層１ｂを複数の材料を適当な準位で積層した構成にすれば、量子ドット１ａから放出されたキャリアの捕獲量を微調整して赤外線検知器の感度を調整することも可能になる。

また、この第１の実施の形態では、キャップ層１ｂを量子ドット１ａの上面に接するようにして設けた場合を例にして述べたが、量子ドット１ａの下面に接するようにして設けてもよい。その場合も、赤外線の検出は上記同様にして行われる。

また、光吸収部１を構成する各層間に、キャリアを供給するためのｎ型のエピタキシャル層をさらに設けるようにしてもよい。
次に、第２の実施の形態について説明する。図３は、第２の実施の形態の光吸収部の一例の要部断面模式図である。

赤外線検知器は、複数の量子ドット構造体が積層された光吸収部２を有している。量子ドット構造体は、キャップ層２ｂが量子ドット２ａの上面に接するようにして設けられ、これら量子ドット２ａ及びキャップ層２ｂがバリア層２ｃで埋め込まれた構成を有している。また、発生した電流を光吸収部２から取り出すための電流出口２ｄ、光吸収部２にキャリアを充電するための電流入口２ｅを有している。また、複数のチャネルとしてのキャップ層を直列接続するビア２ｆを有している。

ここで、第１の実施の形態で利用される材料は、第２の実施の形態においても利用される。また、電流の発生原理は第１の実施の形態と同様であり、電流経路の方向は量子ドットを含んだキャップ層をチャネルとしてキャップ層と平行方向である。また、構成要素の名称が同一の場合、機能も同一である。また、量子ドット２ａ、キャップ層２ｂ及びバリア層２ｃにおいて、エネルギ帯構造は第１の実施の形態と同様である。

このような構成の光吸収部２は、第１の実施の形態と同様の形成過程の後、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２、及び、Ａｒのエッチングガスが使用され、約０．５Ｐａの圧力が加えられ、約１００Ｗの高周波電源が使用されるドライエッチングにより、電流出口２ｄ、電流入口２ｅ及びビア２ｆが形成される。

ここで述べたようにキャップ層２ｂにＧａＡｓ、バリア層２ｃにＡｌＧａＡｓを用いるほか、キャップ層２ｂ及びバリア層２ｃに上記のような材料を用いた場合、両層の格子定数が類似するので、格子定数の差が、従来のようにキャップ層及びバリア層にそれぞれＩｎＧａＡｓ及びＧａＡｓを用いた場合に比べて小さくなり、両層の間の格子不整合が抑えられるようになる。

次に、図３の模式図の動作について説明する。
量子ドット２ａから放出されたキャリアは、量子ドット２ａ、キャップ層２ｂ及びバリア層２ｃの伝導帯を移動できるエネルギを得ると、与えられた電界に従って流れる。すなわち、赤外線の吸収によって量子ドット２ａの価電子帯のキャリアが励起され、量子ドット２ａの準位Ａ、キャップ層２ｂの準位Ｂ、バリア層２ｃの準位Ｃを超えると、電流が流れるようになる。

その後、キャップ層２ｂで、量子ドット２ａから放出されたキャリアが、キャップ層と平行方向に与えられた電界に従って電流が流れる。
その後、電流出口２ｄにより、発生した電流が光吸収部２から取り出される。また、電流入口２ｅにより、光吸収部２にキャリアが充電される。

赤外線検知器は、このような光吸収部２を１画素とし、例えば１枚のＧａＡｓ基板上に多数の光吸収部２を整列配置して構成される。各光吸収部２では、多くの赤外線が吸収されるとその分多くのキャリアが放出されるため、それを利用することにより、赤外線検知器では、対象物の温度に応じた画像が生成されるようになる。

このように、第２の実施の形態の赤外線検知器では、量子ドット構造体のキャップ層２ｂ及びバリア層２ｃの間の格子不整合が小さくなるようにしたので、量子ドット構造体を積層して光吸収部２を形成したときに結晶欠陥が発生しにくい。量子ドット構造体を上記のような材料を用いて形成すれば、これを２０回以上繰り返し積層することが可能になる。そして、それにより、１つの光吸収部２内すなわち１画素内に、より多くの量子ドット２ａを存在させることが可能になるので、赤外線検知器の感度を高めることができるようになる。また、光吸収部２のビア２ｆ等の加工時において、光吸収部２に対するダメージが少ない。

また、量子ドット構造体を積層して各チャネルを直列に接続して電流経路を長くでき、ノイズ成分としてのキャリアを量子ドット２ａが捕獲しやすくなるので、ノイズ成分としてのキャリア数変動に対する電流量変動は小さい。

また、光吸収部２に対して溝を設けられる。図４は、第２の実施の形態の光吸収部の一例の要部平面模式図である。ここで、光吸収部２に溝２ｇ、２ｈを設け、電流経路を迂回させて電流経路を長くしている。このようにすると、電流経路が長くでき、ノイズ成分としてのキャリアを量子ドット２ａが捕獲しやすくなるので、ノイズ成分としてのキャリア数変動に対する電流量変動は小さい。

なお、この第２の実施の形態では、１種の材料でキャップ層２ｂを形成する場合を例にして述べたが、キャップ層２ｂを複数の材料を適当な準位で積層した構成にすれば、量子ドット２ａから放出されたキャリアの捕獲量を微調整して赤外線検知器の感度を調整することも可能になる。

また、この第２の実施の形態では、キャップ層２ｂを量子ドット２ａの上面に接するようにして設けた場合を例にして述べたが、量子ドット２ａの下面に接するようにして設けてもよい。その場合も、赤外線の検出は上記同様にして行われる。

また、光吸収部２を構成する各層間に、キャリアを供給するためのｎ型のエピタキシャル層をさらに設けるようにしてもよい。
（付記１） 赤外線を検知する赤外線検知器において、
赤外線を吸収してキャリアを放出する量子ドットが、格子定数の類似する複数の埋め込み層によって埋め込まれた量子ドット構造体を有する光吸収部を備えることを特徴とする赤外線検知器。

（付記２） 前記複数の埋め込み層のうち、電子エネルギポテンシャルが前記量子ドットよりも高い一の埋め込み層が前記量子ドットの上面または下面に接して設けられ、電子エネルギポテンシャルが前記一の埋め込み層よりも高い他の埋め込み層によって前記量子ドットと前記一の埋め込み層とが埋め込まれることを特徴とする付記１記載の赤外線検知器。

（付記３） 前記一の埋め込み層は、前記一の埋め込み層以外の前記複数の埋め込み層の厚さの和より、薄いことを特徴とする付記２記載の赤外線検知器。
（付記４） 前記量子ドットがＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｌＡｓで形成され、前記一の埋め込み層がＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓで形成され、前記他の埋め込み層がＡｌＧａＡｓで形成されることを特徴とする付記２記載の赤外線検知器。

（付記５） 前記他の埋め込み層は、前記一の埋め込み層がＡｌＧａＡｓで形成される場合、前記他の埋め込み層のＡｓの組成が前記一の埋め込み層のＡｌの組成よりも大きいＡｌＧａＡｓで形成されることを特徴とする付記４記載の赤外線検知器。

（付記６） 前記光吸収部は、複数の前記量子ドット構造体が積層されて構成されることを特徴とする付記１記載の赤外線検知器。
（付記７） 前記量子ドット構造体の積層数が２０層以上可能であることを特徴とする付記６記載の赤外線検知器。

（付記８） 前記光吸収部は、前記一の埋め込み層が形成されている面に対して平行方向の電流経路を有することを特徴とする付記２記載の赤外線検知器。
（付記９） 前記光吸収部が複数の前記量子ドット構造体が積層されて構成される場合、前記各電流経路が直列に接続されることを特徴とする付記８記載の赤外線検知器。

（付記１０） 前記量子ドット構造体の一部を除去することにより、前記電流経路を長くしたことを特徴とする付記８記載の赤外線検知器。

第１の実施の形態の光吸収部の一例の要部断面模式図である。 量子ドット構造体のエネルギ帯構造図である。 第２の実施の形態の光吸収部の一例の要部断面模式図である。 第２の実施の形態の光吸収部の一例の要部平面模式図である。

符号の説明

１ 光吸収部
１ａ 量子ドット
１ｂ キャップ層
１ｃ バリア層

Claims (5)

1. ＡｌＧａＡｓのバリア層と、
   前記バリア層の上方に配置された量子ドットと、
   前記量子ドットを埋め込むＧａＡｓのキャップ層と、
   を有する量子ドット構造体を備えることを特徴とする赤外線検知器。
2. 前記キャップ層の電子エネルギポテンシャルが前記量子ドットよりも高く、
   前記バリア層の電子エネルギポテンシャルが前記キャップ層よりも高いことを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
3. 前記キャップ層は、前記バリア層の厚さより薄いことを特徴とする請求項２記載の赤外線検知器。
4. 複数の前記量子ドット構造体が積層されて構成されることを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
5. 前記量子ドット構造体の積層数が２０層以上可能であることを特徴とする請求項４記載の赤外線検知器。

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