JP4694417B2 - Quantum dot optical semiconductor device - Google Patents

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本発明は量子ドット光半導体素子に関するものであり、特に、量子ドットを赤外線吸収部とする量子ドット型赤外線検出器における量子ドットによるキャリアの捕獲効率を向上させるための構成に特徴のある量子ドット光半導体素子に関するものである。   The present invention relates to a quantum dot optical semiconductor device, and in particular, a quantum dot light characterized by a configuration for improving carrier capture efficiency by quantum dots in a quantum dot infrared detector having a quantum dot as an infrared absorber. The present invention relates to a semiconductor element.

現在、入射した光を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器において、量子井戸層を利用した量子井戸型赤外線検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ）と３次元的にキャリアを閉じ込めることができる量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤＩＰ）とが注目されている。   At present, a photodetector that detects light by capturing a current that flows when incident light is absorbed is three-dimensionally compared with a quantum well infrared detector (QWIP) that uses a quantum well layer. A quantum dot infrared detector (Quantum Dot Infrared Photodetector: QDIP) using quantum dots capable of confining carriers has attracted attention.

このうち、量子井戸型赤外線検出器は、垂直入射光を吸収できないため、垂直入射光を吸収できる量子ドット型赤外線検出器の研究が精力的に行われている（例えば、特許文献１参照）。   Among these, since quantum well type infrared detectors cannot absorb normal incident light, research on quantum dot type infrared detectors that can absorb normal incident light has been vigorously conducted (for example, see Patent Document 1).

この量子ドット型赤外線検知器は、半導体結晶層（以下、中間層）の中に量子ドットを埋め込んだ層を２つの電極層の間に挟んだ構造を持ち、量子ドット内に閉じ込められた電子が赤外線を吸収し、量子ドットから脱出して電流、即ち、光電流となることで、赤外線を電気信号に変換して検知しているので、ここで、図８を参照して、従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子を説明する。   This quantum dot infrared detector has a structure in which a layer in which quantum dots are embedded in a semiconductor crystal layer (hereinafter referred to as an intermediate layer) is sandwiched between two electrode layers, and electrons confined in the quantum dots are Since infrared rays are absorbed and escaped from the quantum dots to become a current, that is, a photocurrent, the infrared rays are converted into electric signals and detected, so here, referring to FIG. 8, conventional InAs / A GaAs QDIP element will be described.

図８参照
図８は従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図であり、まず、ＧａＡｓ基板３１上にＧａＡｓバッファ層３２を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層３３及びＧａＡｓ中間層３４を設けたのち、ＭＢＥ法を用いてＩｎ及びＡｓを供給する。 See FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional InAs / GaAs QDIP element. First, an n-type GaAs contact layer 33 and a GaAs intermediate layer 34 are provided on a GaAs substrate 31 via a GaAs buffer layer 32, and then MBE is used. Used to supply In and As.

この時、半導体層構造における格子歪を利用したストランスキー−クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）結晶成長モードによる自己形成現象により、まず、成長初期においてＧａＡｓバッファ層３２の結晶構造を引き継いだ形でＩｎＡｓ濡れ層３５が成長する。   At this time, due to the self-forming phenomenon due to the Stransky-Krastanov crystal growth mode using the lattice strain in the semiconductor layer structure, first, the InAs wetting is carried out in the form of taking over the crystal structure of the GaAs buffer layer 32 in the initial stage of growth. Layer 35 grows.

さらに供給を続けると、下地材料との格子定数の違いによる歪のエネルギーを緩和するため、この面状の構造から再配列を起こして３次元的なＩｎＡｓ量子ドット３６が形成される（例えば、非特許文献１参照）。   When the supply is further continued, in order to relax the energy of strain due to the difference in lattice constant from the base material, rearrangement is caused from this planar structure to form a three-dimensional InAs quantum dot 36 (for example, non- Patent Document 1).

次いで、ＩｎＡｓの供給を停止してＧａＡｓを供給することによって、ＧａＡｓ中間層３７を成長させてＩｎＡｓ量子ドット３６を埋め込む。
この様な積層工程を繰り返すことによって、中間層を介して多数の量子ドットを積み重ね、最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３８を設けている。 Next, the supply of InAs is stopped and GaAs is supplied, thereby growing the GaAs intermediate layer 37 and embedding the InAs quantum dots 36.
By repeating such a lamination process, a large number of quantum dots are stacked via an intermediate layer, and finally, an n-type GaAs contact layer 38 is provided.

図９参照
図９は、量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムであり、このＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子では、キャリアのエネルギーに対してＧａＡｓ中間層３４及びＧａＡｓ中間層３７がポテンシャル障壁、ＩｎＡｓ量子ドット３６がポテンシャル井戸として作用し、ＩｎＡｓ量子ドット３６内部に離散的に量子準位、即ち、基底準位３９と第１励起準位４０が形成される。 See FIG.
FIG. 9 is a band diagram showing a quantum dot structure. In this InAs / GaAs QDIP element, the GaAs intermediate layer 34 and the GaAs intermediate layer 37 are potential barriers and the InAs quantum dots 36 are potential wells with respect to the carrier energy. The quantum level, that is, the ground level 39 and the first excitation level 40 are discretely formed inside the InAs quantum dot 36.

形成された量子準位間のエネルギー差に相当する光が入射した場合、キャリアが励起され信号電流として検出される。
また、赤外線を吸収して電子を放出した量子ドットは、新たに電子を捕獲して量子ドット内に電子を閉じ込めた状態になるまで、赤外線を吸収しなくなるが、結晶中を流れている電子の一部が量子ドットに捕獲されることで再び赤外線を吸収するようになる。 When light corresponding to the energy difference between the formed quantum levels is incident, carriers are excited and detected as a signal current.
Also, quantum dots that absorb infrared rays and emit electrons do not absorb infrared rays until they are newly trapped and trapped in the quantum dots. Part of it is captured by the quantum dots and again absorbs infrared light.

しかし、赤外線が入射していないときにも流れる電流、即ち、暗電流が存在し、検出器としての信号雑音比（ＳＮ）性能は概ね光電流／暗電流で表現できるため、光電流の増大や暗電流の低減によってＳＮ性能を向上させることが赤外線検知器に求められている。
特開平１０−２５６５８８号公報 However, since there is a current that flows even when infrared rays are not incident, that is, a dark current, and the signal-to-noise ratio (SN) performance as a detector can be expressed approximately by a photocurrent / dark current, an increase in photocurrent or Infrared detectors are required to improve SN performance by reducing dark current.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-256588

しかし、量子ドットが捕獲できるのはその量子ドットを通る電子に限られ、一部の電子は量子ドットを通らないために、量子ドットによる捕獲に関与しない電子が存在し、これは暗電流を構成することになる。
例えば、図８において、量子ドット間をすり抜けて流れる電子は暗電流となる。 However, a quantum dot can only capture electrons that pass through the quantum dot, and some electrons do not pass through the quantum dot, so there are electrons that are not involved in the capture by the quantum dot, which constitutes a dark current. Will do.
For example, in FIG. 8, electrons flowing through quantum dots become dark current.

このような状況の中で、より多くの電子が量子ドットを通るようにすることができれば、量子ドットによる電子の捕獲が促進され、捕獲された電子が基底準位まで緩和することで赤外線を吸収できる量子ドットが増えて光電流が増大することになる。   Under these circumstances, if more electrons can pass through the quantum dot, the trapping of electrons by the quantum dot is promoted, and the captured electrons relax to the ground level to absorb infrared rays. The number of quantum dots that can be increased will increase the photocurrent.

量子ドットを通る電子の量は量子ドットの電流の向きに対する断面積で決まり、断面積が大きい方により多くの電子が通るため、図８に示したように、量子ドットの成長方向に平行に電流が流れる構造の量子ドット型赤外線検知器では、この断面積は量子ドットの横幅で決まる。   The amount of electrons passing through the quantum dot is determined by the cross-sectional area with respect to the current direction of the quantum dot, and more electrons pass through the larger cross-sectional area. Therefore, as shown in FIG. In a quantum dot infrared detector having a structure in which the current flows, the cross-sectional area is determined by the lateral width of the quantum dot.

このため、量子ドットの横幅を大きくすればより多くの電子が量子ドットを通ることになり、光電流を増大させられると考えられるが、量子ドットの横幅は検知すべき赤外線の波長によって決まるため、自由には大きさを変えられないという問題がある。   For this reason, it is thought that if the lateral width of the quantum dot is increased, more electrons pass through the quantum dot and the photocurrent can be increased, but the lateral width of the quantum dot is determined by the wavelength of infrared rays to be detected. There is a problem that the size cannot be changed freely.

したがって、本発明は、光吸収用量子ドットのサイズを変更することなく、キャリアの捕獲効率を高めることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to increase the carrier capture efficiency without changing the size of the light-absorbing quantum dots.

図１は本発明の原理的構成図であり、また、図２乃至図４は、キャリア捕獲効率改善の説明図であり、ここで図１乃至図４を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、中間層３，４と中間層３，４よりもバンドギャップの小さい複数の量子ドットによる層とを交互に積層した構造を有する量子ドット光半導体素子であって、第１の量子ドット１による層から中間層３を隔てて、第１の量子ドット１より横幅が大きく第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドット２による層を配置し、第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔が第１の量子ドット１の歪みの影響により中間層３の格子間隔が変化している範囲以内であることを特徴とする。 FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are explanatory views for improving carrier capture efficiency. Here, with reference to FIGS. 1 to 4, the problems in the present invention are solved. Means for doing this will be described.
See FIG. 1 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a quantum dot light having a structure in which intermediate layers 3 and 4 and layers of a plurality of quantum dots having a smaller band gap than intermediate layers 3 and 4 are alternately stacked. A semiconductor element having an energy potential higher than the energy potential of the first quantum dot 1 with respect to the carrier, having a width larger than that of the first quantum dot 1 across the intermediate layer 3 from the layer formed by the first quantum dot 1 A layer formed by the second quantum dots 2 is arranged, and an interval between the layer formed by the first quantum dots 1 and the layer formed by the second quantum dots 2 provided thereon is affected by the distortion of the first quantum dots 1. 3 is within the range where the lattice spacing is changing.

この場合、第２の量子ドット２が電子８を集める漏斗のような役割を果たし、第２の量子ドット２を通った電子８が陽極方向へ流れ第１の量子ドット１を通るようになる。
この際、より横幅の大きい第２の量子ドット２を通った電子８が第１の量子ドット１を通るため、第１の量子ドット１の電子捕獲が促進され、赤外線を吸収できる第１の量子ドット１の数は増えて光電流が増大することになる。 In this case, the second quantum dot 2 serves as a funnel for collecting the electrons 8, and the electrons 8 passing through the second quantum dots 2 flow in the anode direction and pass through the first quantum dots 1.
At this time, since the electrons 8 that have passed through the second quantum dot 2 having a larger width pass through the first quantum dot 1, the electron capture of the first quantum dot 1 is promoted, and the first quantum that can absorb infrared rays. As the number of dots 1 increases, the photocurrent increases.

ここで、図２乃至図４を参照して、３つのキャリア捕獲機構を説明する。
図２参照
まず、より横幅の広い第２の量子ドット２が電子８を捕獲し、捕獲された電子８が第１の量子ドット１までトンネル効果で移動し、その結果、電子８は第１の量子ドット１に捕獲されることになる。 Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 4, three carrier capture mechanisms are demonstrated.
See Figure 2
First, the second quantum dot 2 having a wider width captures the electron 8, and the captured electron 8 moves to the first quantum dot 1 by the tunnel effect. As a result, the electron 8 is converted into the first quantum dot 1. Will be captured.

図３参照
或いは、第２の量子ドット２が電子８を捕獲すると、捕獲された電子８は第２の量子ドット２の基底準位７まで緩和するが、基底準位７においては電子８の存在確率は中央部が最も高いため、電子８は第２の量子ドット２の中央へ移動する。
その後、熱的な励起などにより電子８が第２の量子ドット２から脱出すると、陽極方向にある第１の量子ドット１を通過して第１の量子ドット１で捕獲されることになる。 See Figure 3
Alternatively, when the second quantum dot 2 captures the electron 8, the captured electron 8 relaxes to the ground level 7 of the second quantum dot 2, but in the ground level 7, the existence probability of the electron 8 is the center. Since the portion is the highest, the electron 8 moves to the center of the second quantum dot 2.
Thereafter, when the electrons 8 escape from the second quantum dots 2 by thermal excitation or the like, they pass through the first quantum dots 1 in the anode direction and are captured by the first quantum dots 1.

図４参照
或いは、第１の量子ドット１及び第２の量子ドット２の近傍では量子ドット材料が中間層３，４に拡散するため、伝導帯端のエネルギーが低くなり、電子８はエネルギーの低くなった拡散領域９，１０に誘導されるため漏斗のように働く。 See Figure 4
Alternatively, in the vicinity of the first quantum dot 1 and the second quantum dot 2, the quantum dot material diffuses into the intermediate layers 3 and 4, so that the energy at the conduction band edge is lowered, and the electrons 8 are diffused at a low energy. Since it is guided to the areas 9 and 10, it works like a funnel.

いづれにしても、上述の３つのキャリア捕獲機構のいずれか或いはこれらの総和作用或いは相乗作用によって、第２の量子ドット２は第１の量子ドット１に対して漏斗のように作用するため、電子８の捕獲効率が高まる。
なお、図１の下図に示すように、第２の量子ドット２のキャリアに対するエネルギーポテンシャルが第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いため、即ち、第２の量子ドット２の伝導帯端が第１の量子ドット１の基底準位７よりも高いため、第１の量子ドット１から第２の量子ドット２への電子８の移動は無視できる。 In any case, the second quantum dot 2 acts like a funnel with respect to the first quantum dot 1 by any one of the above-described three carrier trapping mechanisms or the summation or synergistic action thereof. 8 capture efficiency is increased.
As shown in the lower diagram of FIG. 1, the energy potential for the carrier of the second quantum dot 2 is higher than the energy potential for the carrier of the first quantum dot 1, that is, the conduction band of the second quantum dot 2. Since the end is higher than the ground level 7 of the first quantum dot 1, the movement of the electrons 8 from the first quantum dot 1 to the second quantum dot 2 can be ignored.

この場合、第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔は、結晶歪みの影響が中間層３の表面に表れる２５ｎｍ以下であることが望ましく、それによって、第２の量子ドット２を第１の量子ドット１の直上に形成することができる（例えば、非特許文献１参照）。   In this case, the distance between the layer formed by the first quantum dots 1 and the layer formed by the second quantum dots 2 provided thereon is preferably 25 nm or less, in which the influence of crystal distortion appears on the surface of the intermediate layer 3. Thus, the second quantum dot 2 can be formed immediately above the first quantum dot 1 (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、第１の量子ドット１の材料の格子定数ａdot1と第２の量子ドット２の材料の格子定数ａdot2との差は、第２の量子ドット２の材料の格子定数ａdot2と中間層３の材料の格子定数ａinとの差よりも小さくすることが望ましく、即ち、
｜ａdot1−ａdot2｜＜｜ａdot2−ａin｜
とすることが望ましく、それによって、第２の量子ドット２を第１の量子ドット１の直上に形成することができる。 The difference between the lattice constant a Dot2 lattice constant a dot1 the first quantum dot 1 material and the second quantum dot 2 material, the lattice constant a Dot2 and the intermediate layer of the second quantum dot 2 material It is desirable to make it smaller than the difference from the lattice constant a in of the material of 3,
| A dot1- a dot2 | <| a dot2- a in |
Thus, the second quantum dot 2 can be formed immediately above the first quantum dot 1.

この場合の第１の量子ドット１の構成材料としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓが典型的なものであり、また、第２の量子ドット２の構成材料としては、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓが典型的なものである。   In this case, the constituent material of the first quantum dot 1 is typically InAs, InAlAs, or InGaAs, and the constituent material of the second quantum dot 2 is typically InAlAs or InGaAs. It is a thing.

また、中間層３，４と第１の量子ドット１による層と第２の量子ドット２による層による構造を繰り返し積層することが望ましく、それによって、光出力を大きくすることができる。   In addition, it is desirable to repeatedly laminate the structures of the intermediate layers 3 and 4, the layer formed by the first quantum dots 1, and the layer formed by the second quantum dots 2, thereby increasing the light output.

この場合、第２の量子ドット２による層とその上に設けた第１の量子ドット１による層の間隔は２５ｎｍ以上にすることが望ましく、それによって、中間層４の表面に歪みの影響が有意に表れることがなく、その上に形成される第１の量子ドット１は第２の量子ドット２に対してランダムな位置に形成され、下層の第１の量子ドット１と投影的に重なることが少なくなるので、この点でも電子の捕獲効率は高まることになる。   In this case, the distance between the layer formed by the second quantum dots 2 and the layer formed by the first quantum dots 1 provided on the second quantum dots 2 is preferably 25 nm or more, so that the influence of strain is significant on the surface of the intermediate layer 4. The first quantum dot 1 formed on the first quantum dot 1 is formed at a random position with respect to the second quantum dot 2 and overlaps the first quantum dot 1 in the lower layer in a projective manner. Since the number is reduced, the electron capture efficiency is also increased in this respect.

また、量子ドット光半導体素子としては発光素子も含むものであるが、典型的には、第１の量子ドット１を赤外線吸収部とする赤外線検出器（ＱＤＩＰ）が典型的なものである。   The quantum dot optical semiconductor element includes a light emitting element. Typically, an infrared detector (QDIP) having the first quantum dot 1 as an infrared absorbing portion is typical.

本発明によれば、キャリアに対して漏斗的な作用をする第２の量子ドットを設けているので、第１の量子ドットのサイズを変更することなくキャリア捕獲効率を向上することができ、それによって、赤外線検出器における光電流が増大し、ＳＮ性能を向上することができる。
Ｑｉａｎｇｈｕａ Ｘｉｅ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ ．Ｌｅｔｔ．，７５，ｐ．２５４２，１９９５ According to the present invention, since the second quantum dot that acts as a funnel with respect to the carrier is provided, the carrier capture efficiency can be improved without changing the size of the first quantum dot. As a result, the photocurrent in the infrared detector increases and the SN performance can be improved.
Qianghua Xie et al. Phys. Rev. Lett. , 75, p. 2542, 1995

本発明は、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓ等からなり光吸収部となる第１の量子ドットによる層から中間層を隔てて、第１の量子ドットより横幅が大きく第１の量子ドットのキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ等からなりキャリア捕獲部となる第２の量子ドットによる層を配置し、第１の量子ドットによる層と第２の量子ドットによる層の間隔を第１の量子ドットの歪みの影響により中間層の格子間隔が変化している範囲以内、例えば、２５ｎｍ以内とすることによって、第１の量子ドットの直上に第２の量子ドットを設けたものである。   In the present invention, the width of the first quantum dot is larger than that of the first quantum dot with respect to the carrier of the first quantum dot by separating the intermediate layer from the layer of the first quantum dot that is made of InAs, InAlAs, InGaAs, or the like and serves as a light absorbing portion. A layer of second quantum dots made of InAlAs or InGaAs having an energy potential higher than the energy potential and serving as a carrier trapping portion is arranged, and the distance between the layers of the first quantum dots and the layers of the second quantum dots is The second quantum dot is provided immediately above the first quantum dot by setting it within the range in which the lattice spacing of the intermediate layer changes due to the influence of the distortion of the first quantum dot, for example, within 25 nm. .

ここで、図５乃至図７を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰを説明する。
図５参照
まず、分子線エピタキシー法を用いて半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に下部電極となる厚さが、例えば、１０００ｎｍでＳｉ濃度が２×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ層１２を例えば、６００℃の基板温度で成長させる。 Here, the QDIP according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
See Figure 5
First, an n-type GaAs layer 12 having a thickness of, for example, 1000 nm and a Si concentration of 2 × 10 18 cm −3 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 11 by using molecular beam epitaxy, for example, at 600 ° C. The substrate is grown at the substrate temperature.

次いで、中間層となる厚さが、例えば、１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層１３を成長する。
このｉ型ＧａＡｓ層１３を成長する間に基板温度を量子ドット成長に適した温度、例えば５００℃に低下させる。 Next, an i-type GaAs layer 13 having a thickness of, for example, 100 nm as an intermediate layer is grown.
While the i-type GaAs layer 13 is grown, the substrate temperature is lowered to a temperature suitable for quantum dot growth, for example, 500 ° C.

次いで、例えば０．１ＭＬ（分子層）／秒の材料供給速度で、ＩｎＡｓを２．５ＭＬ分供給することによって赤外線検出部を構成する直径が例えば、２０ｎｍ程度のＩｎＡｓ量子ドット１４を形成する。   Next, InAs quantum dots 14 having a diameter of, for example, about 20 nm are formed by supplying 2.5 mL of InAs at a material supply rate of, for example, 0.1 ML (molecular layer) / second.

この際、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード成長によれば、ＩｎＡｓをある程度の量を供給することによりＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長をしてＩｎＡｓ量子ドット１４が形成されることになる。   At this time, according to the Transki-Krastanov mode growth, by supplying a certain amount of InAs, the compressive strain applied to InAs increases, and InAs grows three-dimensionally to form InAs quantum dots 14.

次いで、中間層となる厚さが、２５ｎｍ以下、例えば、２０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層１５によってＩｎＡｓ量子ドット１４を埋め込む。
このｉ型ＧａＡｓ層１５の厚さが２５ｎｍ以内であるとき、量子ドットを構成するＩｎＡｓと中間層を構成するＧａＡｓの格子定数の違いによる歪が表面にまで影響し、この部分の格子間隔が量子ドットの格子定数に近くなる方向に変化する。 Next, the InAs quantum dots 14 are embedded with the i-type GaAs layer 15 having an intermediate layer thickness of 25 nm or less, for example, 20 nm.
When the thickness of the i-type GaAs layer 15 is within 25 nm, the strain due to the difference in lattice constant between InAs constituting the quantum dot and GaAs constituting the intermediate layer affects the surface, and the lattice spacing of this portion is the quantum spacing. It changes in a direction close to the lattice constant of the dots.

図６参照
次いで、例えば０．１ＭＬ（分子層）／秒の材料供給速度で、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓとなる組成比の材料を１０ＭＬ分供給することによってＩｎＡｓ量子ドット１４より水平方向の面積が大きくなるように、例えば、直径が４０ｎｍ程度の電子捕獲用のＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を形成する。 See FIG.
Next, for example, at a material supply rate of 0.1 ML (molecular layer) / second, a material having a composition ratio of In 0.5 Ga 0.5 As is supplied by 10 ML so that the area in the horizontal direction becomes larger than that of the InAs quantum dots 14. For example, an InGaAs quantum dot 17 for electron capture having a diameter of about 40 nm is formed.

この場合、表面エネルギーと歪エネルギーの和が最小となるように、中間層となるｉ型ＧａＡｓ層１５の歪んだ領域１６上、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１４の真上にＩｎＧａＡｓ量子ドット１７が形成されるので、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７がＩｎＡｓ量子ドット１４を投影的に覆うようになる。   In this case, InGaAs quantum dots 17 are formed on the strained region 16 of the i-type GaAs layer 15 serving as the intermediate layer, that is, directly above the InAs quantum dots 14 so that the sum of the surface energy and the strain energy is minimized. Therefore, the InGaAs quantum dots 17 cover the InAs quantum dots 14 in a projective manner.

次いで、中間層となる厚さが、例えば、１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層１８を成長させて、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を埋め込む。   Next, an i-type GaAs layer 18 having a thickness of, for example, 100 nm as an intermediate layer is grown to embed InGaAs quantum dots 17.

図７参照
以降は、全体で必要とする積層数、例えば、５０周期以下、例えば、全体で４周期の積層数とするために、ＩｎＡｓ量子ドット１４の形成工程、ｉ型ＧａＡｓ層１５の形成工程、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７の形成工程、及び、ｉ型ＧａＡｓ層１８の形成工程を３回繰り返す。
この時、最後のｉ型ＧａＡｓ層１８を形成する間に基板温度を上部電極層材料、例えばＧａＡｓの成長に適した温度、例えば、６００℃に上昇させる。 See FIG.
Thereafter, in order to obtain a total number of stacked layers, for example, 50 cycles or less, for example, a total number of 4 stacked layers, the InAs quantum dot 14 forming step, the i-type GaAs layer 15 forming step, InGaAs quantum The dot 17 forming step and the i-type GaAs layer 18 forming step are repeated three times.
At this time, the substrate temperature is raised to a temperature suitable for the growth of the upper electrode layer material, for example, GaAs, for example, 600 ° C. while the final i-type GaAs layer 18 is formed.

引き続き、上部電極層となる厚さが、例えば、１０００ｎｍで、Ｓｉ濃度が２×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ層１９を成長させる。 Subsequently, an n-type GaAs layer 19 having a thickness of, for example, 1000 nm and an Si concentration of 2 × 10 18 cm −3 is grown.

次いで、例えば、ドライエッチングを用いて下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ層１２に達するまでメサエッチングを行ったのち、例えば、金属蒸着法を用いて例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造の下部電極２０及び上部電極２１を形成することによって、本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本構成が完成する。   Next, for example, mesa etching is performed using dry etching until the n-type GaAs layer 12 serving as the lower electrode layer is reached, and then, for example, the lower electrode 20 having an AuGe / Ni / Au structure and the like are formed using a metal deposition method, for example. By forming the upper electrode 21, the basic configuration of the QDIP according to the first embodiment of the present invention is completed.

このＱＤＩＰに対して、下部電極２０と上部電極２１電極との間に電源２２により電位差を加えておきその間に流れる電流を電流計２３によって計測することによって、赤外線入射時の電流変化を観測することができ、赤外線検知器として機能することになる。   For this QDIP, a potential difference is applied between the lower electrode 20 and the upper electrode 21 by a power source 22 and a current flowing between them is measured by an ammeter 23 to observe a current change at the time of incidence of infrared rays. Can function as an infrared detector.

このように、本発明の実施例１においては赤外線吸収用のＩｎＡｓ量子ドット１４の陰極側の直上に直径の大きな電子捕獲用のＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を設けているので、ＩｎＡｓ量子ドット１４間を通過する電子をＩｎＧａＡｓ量子ドット１７で捕獲することができ、それによって、光電流に寄与しない暗電流を低減させることができるので、光電流を増加させてＳＮ性能を向上することができる。   As described above, in Example 1 of the present invention, the InGaAs quantum dots 17 for capturing electrons with a large diameter are provided immediately above the cathode side of the InAs quantum dots 14 for absorbing infrared rays, so that they pass between the InAs quantum dots 14. Electrons can be captured by the InGaAs quantum dots 17, thereby reducing the dark current that does not contribute to the photocurrent, thereby increasing the photocurrent and improving the SN performance.

また、本発明の実施例１においては、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を覆うｉ型ＧａＡｓ中間層の厚さを２５ｎｍ以上にしているので、中間層の表面に歪みの影響が有意に表れることがなく、それによって、その上に形成されるＩｎＡｓ量子ドット１４はＩｎＧａＡｓ量子ドット１７に対してランダムな位置に形成され、下層のＩｎＡｓ量子ドット１４と投影的に重なることが少なくなるので、この点でも電子の捕獲効率は高まることになる。   In Example 1 of the present invention, since the thickness of the i-type GaAs intermediate layer covering the InGaAs quantum dots 17 is 25 nm or more, the influence of strain does not appear significantly on the surface of the intermediate layer. As a result, the InAs quantum dots 14 formed thereon are formed at random positions with respect to the InGaAs quantum dots 17 and are less projected and overlapped with the underlying InAs quantum dots 14. Efficiency will increase.

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の実施例における導電型はｎ型として電子をキャリアとしているが、ｐ型で構成してホールをキャリアとしても良いものである。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible. For example, the conductivity types in the above embodiments are Although n-type electrons are used as carriers, p-type electrons may be used as holes.

また、上記の実施例においては、分子線エピタキシー法を用いて、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモードを利用して自己形成量子ドットを形成しているため、実際には濡れ層（図示は省略）を伴っているが、濡れ層は必ずしも必須のものでなく、濡れ層が形成されない成長方法を用いても良いものである。   In the above-described embodiment, self-formed quantum dots are formed by using the molecular beam epitaxy method using the Stranski-Krastanov mode, and thus actually includes a wetting layer (not shown). However, the wetting layer is not necessarily essential, and a growth method in which the wetting layer is not formed may be used.

また、上記の実施例においては第１の量子ドットをＩｎＡｓ量子ドットで構成しているが、ＩｎＡｓ量子ドットに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ量子ドット或いはＩｎＡｌＡｓ量子ドットとしても良いものである。   In the above-described embodiments, the first quantum dots are composed of InAs quantum dots. However, the first quantum dots are not limited to InAs quantum dots, and may be InGaAs quantum dots or InAlAs quantum dots.

また、上記の実施例においては第２の量子ドットをＩｎＧａＡｓ量子ドットで構成しているが、ＩｎＧａＡｓ量子ドットに限られるものではなく、赤外線吸収部となるＩｎＡｓ量子ドットのキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つものであれば良く、例えば、ＩｎＡｌＡｓ量子ドットとしても良いものである。   In the above embodiment, the second quantum dot is composed of InGaAs quantum dots. However, the second quantum dot is not limited to InGaAs quantum dots, and is higher than the energy potential of InAs quantum dots serving as an infrared absorption part with respect to carriers. Any material having an energy potential may be used. For example, an InAlAs quantum dot may be used.

また、上記の実施例においては基板としてＧａＡｓを用いているが、ＧａＡｓに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ基板等の混晶基板或いはＩｎＰ基板等の他の基板を用いても良いものである。   In the above embodiment, GaAs is used as the substrate. However, the substrate is not limited to GaAs, and a mixed crystal substrate such as an InGaAs substrate or another substrate such as an InP substrate may be used.

さらに、上記の実施例においては非ナイトライド系のIII-Ｖ族化合物半導体デバイスとして説明しているが、ＧａＮ系のIII-Ｖ族化合物半導体にも適用されるものであり、その場合には、基板としてＧａＮ、ＳｉＣ、或いは、サファイア等を用いれば良い。   Furthermore, in the above embodiment, the non-nitride group III-V compound semiconductor device is described, but the present invention is also applicable to a GaN group III-V group compound semiconductor device. GaN, SiC, sapphire, or the like may be used as the substrate.

ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 中間層３，４と前記中間層３，４よりもバンドギャップの小さい複数の量子ドットによる層とを交互に積層した構造を有する量子ドット光半導体素子であって、第１の量子ドット１による層から前記中間層３を隔てて、前記第１の量子ドット１より横幅が大きく第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドット２による層を配置し、第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔が第１の量子ドット１の歪みの影響により中間層３の格子間隔が変化している範囲以内であることを特徴とする量子ドット光半導体素子。
（付記２） 上記第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔が、２５ｎｍ以下であることを特徴とする付記１記載の量子ドット光半導体素子。
（付記３） 上記第１の量子ドット１の材料の格子定数と上記第２の量子ドット２の材料の格子定数との差が、前記第２の量子ドット２の材料の格子定数と前記中間層３の材料の格子定数との差よりも小さいことを特徴とする付記１または２に記載の量子ドット光半導体素子。
（付記４） 上記第１の量子ドット１が、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓのいずれかから構成され、また、上記第２の量子ドット２が、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓから構成されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の量子ドット光半導体素子。
（付記５） 上記中間層３，４と上記第１の量子ドット１による層と上記第２の量子ドット２による層による構造が繰り返し積層されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の量子ドット光半導体素子。
（付記６） 上記第２の量子ドット２による層とその上に設けた第１の量子ドット１による層の間隔が、２５ｎｍ以上であることを特徴とする付記５記載の量子ドット光半導体素子。
（付記７） 上記第１の量子ドット１が赤外線吸収部を構成することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載の量子ドット光半導体素子。 Here, the detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG.
See FIG. 1 again. (Supplementary Note 1) A quantum dot optical semiconductor device having a structure in which intermediate layers 3 and 4 and layers of a plurality of quantum dots having a smaller band gap than the intermediate layers 3 and 4 are alternately stacked. The second quantum dot having the energy potential higher than the energy potential of the first quantum dot 1 with respect to the carrier is separated from the layer formed by the first quantum dot 1 by separating the intermediate layer 3 from the first quantum dot 1. The layer of the quantum dots 2 is arranged, and the interval between the layer of the first quantum dots 1 and the layer of the second quantum dots 2 provided thereon is affected by the distortion of the first quantum dots 1 to the lattice of the intermediate layer 3 A quantum dot optical semiconductor device characterized in that the interval is within a range of change.
(Additional remark 2) The space | interval of the layer by the layer by said 1st quantum dot 1 and the layer by the 2nd quantum dot 2 provided on it is 25 nm or less, The quantum dot optical semiconductor element of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary Note 3) The difference between the lattice constant of the material of the first quantum dot 1 and the lattice constant of the material of the second quantum dot 2 is the difference between the lattice constant of the material of the second quantum dot 2 and the intermediate layer. 3. The quantum dot optical semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the quantum dot optical semiconductor device is smaller than a difference from a lattice constant of the material No. 3.
(Additional remark 4) The said 1st quantum dot 1 is comprised from either InAs, InAlAs, or InGaAs, and the said 2nd quantum dot 2 is comprised from InAlAs or InGaAs, It is characterized by the above-mentioned. The quantum dot optical semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3.
(Supplementary Note 5) Any one of Supplementary Notes 1 to 4, wherein a structure of the intermediate layers 3 and 4, the layer formed by the first quantum dots 1 and the layer formed by the second quantum dots 2 is repeatedly laminated. 2. The quantum dot optical semiconductor device according to 1.
(Additional remark 6) The space | interval of the layer by the layer by the said 2nd quantum dot 2 and the layer by the 1st quantum dot 1 provided on it is 25 nm or more, The quantum dot optical semiconductor element of Additional remark 5 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 7) The quantum dot optical semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 6, wherein the first quantum dot 1 constitutes an infrared absorbing portion.

本発明の活用例としては、ＱＤＩＰが典型的なものであるが、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子にも適用されるものである。   As a practical example of the present invention, QDIP is typical, but it can also be applied to light emitting elements such as semiconductor lasers and light emitting diodes.

本発明の原理的構成の説明図である。It is explanatory drawing of the fundamental structure of this invention. 第１のキャリア捕獲機構の説明図である。It is explanatory drawing of a 1st carrier capture mechanism. 第２のキャリア捕獲機構の説明図である。It is explanatory drawing of a 2nd carrier capture mechanism. 第３のキャリア捕獲機構の説明図である。It is explanatory drawing of a 3rd carrier capture mechanism. 本発明の実施例１のＱＤＩＰの途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of QDIP of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１のＱＤＩＰの図５以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 5 of QDIP of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１のＱＤＩＰの図６以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 6 of QDIP of Example 1 of this invention. 従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図である。It is sectional drawing of the conventional InAs / GaAs type QDIP element. 量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムである。It is a band diagram which shows a quantum dot structure.

符号の説明Explanation of symbols

１ 第１の量子ドット
２ 第２の量子ドット
３ 中間層
４ 中間層
５ 下部電極層
６ 上部電極層
７ 基底準位
８ 電子
９ 拡散領域
１０ 拡散領域
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓ層
１３ ｉ型ＧａＡｓ層
１４ ＩｎＡｓ量子ドット
１５ ｉ型ＧａＡｓ層
１６ 歪んだ領域
１７ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
１８ ｉ型ＧａＡｓ層
１９ ｎ型ＧａＡｓ層
２０ 下部電極
２１ 上部電極
２２ 電源
２３ 電流計
３１ ＧａＡｓ基板
３２ ＧａＡｓバッファ層
３３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３４ ＧａＡｓ中間層
３５ ＩｎＡｓ濡れ層
３６ ＩｎＡｓ量子ドット
３７ ＧａＡｓ中間層
３８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３９ 基底準位
４０ 第１励起準位 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st quantum dot 2 2nd quantum dot 3 Intermediate layer 4 Intermediate layer 5 Lower electrode layer 6 Upper electrode layer 7 Ground level 8 Electron 9 Diffusion region 10 Diffusion region 11 Semi-insulating GaAs substrate 12 n-type GaAs layer 13 i-type GaAs layer 14 InAs quantum dot 15 i-type GaAs layer 16 strained region 17 InGaAs quantum dot 18 i-type GaAs layer 19 n-type GaAs layer 20 lower electrode 21 upper electrode 22 power supply 23 ammeter 31 GaAs substrate 32 GaAs buffer layer 33 n-type GaAs contact layer 34 GaAs intermediate layer 35 InAs wetting layer 36 InAs quantum dot 37 GaAs intermediate layer 38 n-type GaAs contact layer 39 ground level 40 first excitation level

Claims (5)

中間層と前記中間層よりもバンドギャップの小さい複数の量子ドットによる層とを交互に積層した構造を有する量子ドット光半導体素子であって、第１の量子ドットによる層から前記中間層を隔てて、前記第１の量子ドットより横幅が大きく第１の量子ドットのキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドットによる層を配置し、第１の量子ドットによる層とその上に設ける第２の量子ドットによる層の間隔が第１の量子ドットの歪みの影響により中間層の格子間隔が変化している範囲以内であることを特徴とする量子ドット光半導体素子。 A quantum dot optical semiconductor device having a structure in which an intermediate layer and a plurality of quantum dot layers having a smaller band gap than the intermediate layer are alternately stacked, the intermediate layer being separated from the first quantum dot layer A layer of a second quantum dot having a larger width than the first quantum dot and having an energy potential higher than that of the carrier of the first quantum dot, and a layer of the first quantum dot and a layer thereon A quantum dot optical semiconductor element characterized in that the layer interval between the second quantum dots to be provided is within a range in which the lattice spacing of the intermediate layer changes due to the influence of distortion of the first quantum dot. 上記第１の量子ドットによる層とその上に設ける第２の量子ドットによる層の間隔が、２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の量子ドット光半導体素子。 2. The quantum dot optical semiconductor device according to claim 1, wherein an interval between the layer formed of the first quantum dots and the layer formed of the second quantum dots provided thereon is 25 nm or less. 上記第１の量子ドットの材料の格子定数と上記第２の量子ドットの材料の格子定数との差が、前記第２の量子ドットの材料の格子定数と前記中間層の材料の格子定数との差よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の量子ドット光半導体素子。 The difference between the lattice constant of the material of the first quantum dot and the lattice constant of the material of the second quantum dot is the difference between the lattice constant of the material of the second quantum dot and the lattice constant of the material of the intermediate layer. 3. The quantum dot optical semiconductor element according to claim 1, wherein the quantum dot optical semiconductor element is smaller than the difference. 上記第１の量子ドットが、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓのいずれかから構成され、また、上記第２の量子ドットが、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓから構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子。 The first quantum dot is composed of any one of InAs, InAlAs, or InGaAs, and the second quantum dot is composed of InAlAs or InGaAs. The quantum dot optical semiconductor element of any one of Claims. 上記第１の量子ドットが赤外線吸収部を構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子。 5. The quantum dot optical semiconductor device according to claim 1, wherein the first quantum dot constitutes an infrared absorbing portion. 6.
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