JP5366328B2 - 量子ドット型赤外線検知器及び赤外線イメージセンサ - Google Patents
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Description
(1)構造及び動作
―全体構造―
図1は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器2の構造を説明する概略図である。図1には、量子ドット型赤外線検知器2の動作を説明するため、電源10と電流検出器12も図示されている。
図2は、本量子ドット型赤外線検知器2の光電変換層4の構造を説明する断面図である。図3は、図2の部分拡大図である。尚、図2には、参考のため、電極層6a,6bも図示してある。
次に、製造法に従って、量子ドット型赤外線検知器2の構造をより詳しく説明する。
まず、半絶縁性GaAs基板9上に、下部電極層6aになるn型GaAs層を成長する。このn型GaAs層の厚さは、例えば1000 nmである。また、n型ドーパントは、例えばSiである。このn型ドーパントの濃度は、例えば2×1018cm-3である。成長方法は、例えば、分子線エピタキシー法である(以下、同様)。成長時の基板温度(以下、基板温度と呼ぶ)は、例えば600℃である。
次に、基板温度を470 ℃に下げる。その後、第2の障壁層20(以下、下地障壁層と呼ぶ)になるAlAsを、1ML(分子層)成長する。
この下地障壁層20にIn分子線及びAs分子線を照射して、2.0 ML相当のInAsを成長する。In及びAsの供給速度は、InAs層の成長速度に換算して、0.2 ML/sである。これによりInAs層が臨界膜厚を超え、InAs層が量子ドット14になる。すなわち、自己組織化量子ドットが形成される。この量子ドット14の高さは、約1.5nmである。また、量子ドット14の直径は、約15nmである。そして、量子ドット14の密度は、約2×1011cm−2である。
次に、第1の障壁層16の一部16a(以下、下部埋め込み障壁層と呼ぶ)になるAlAsを3 ML成長する。
次に、量子井戸層18になる、厚さ6 ML のAlxGa1-xAsを成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。
次に、第1の障壁層16の残りの部分16b(以下、上部埋め込み障壁層と呼ぶ)になる、厚さ6 MLのAlAsを成長する。
次に、基板温度を600 ℃まで上昇させる。その後、中間層22になる、厚さ50 nm のi型AlxGa1-xAs層を成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。
次に、上部電極層6bになるn型GaAs層を成長する(図1及び2参照)。このn型GaAs層の厚さは、例えば1000 nmである。また、n型ドーパントは、例えばSiである。このn型ドーパントの濃度は、例えば2×1018cm-3である。基板温度は、例えば600℃である。
次に、以上の工程により形成した成長層の表面に、リソグラフィー法により上部電極層6b及び光電変換層4に対応するエッチングマスクを形成する(図1参照)。この時、成長層の表面内の直交する2方向に、エッチングマスクを一定の間隔で配列する。その後、このエッチングマスクを用いて、上部電極層6b及び光電変換層4をエッチングして、下部電極層6aを露出させる。
図10は、本実施の形態の赤外線イメージセンサ41の断面を説明する概略図である。
図11は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。実施の形態1では、図3に示すように、量子井戸層18が、量子ドット14に接している。しかし、本実施の形態では、図11に示すように、量子井戸層18aは、量子ドット14に接していない。この点を除き、本赤外線検出器の構造は、実施の形態1の赤外線検出器と略同じである。
本実施の形態では、図12に示すように、量子井戸層18aが、下部埋め込み障壁層16aにより、量子ドット14から空間的に分離されている。従って、実施の形態1より、励起電子32が、量子ドット14の遷移元準位28に緩和し難くい。従って、励起電子が、中間層22に脱出しやすくなっている。
図13は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する概略図である。実施の形態1では、図3に示すように、量子井戸層18は一層である。しかし、本実施の形態では、図13に示すように、量子井戸層が、2層設けられている。また、本実施の形態の埋め込み障壁層16は、2層の量子井戸層18b,18cに対応して、3層の障壁層16c,16d,16eを有している。以上の点を除き、本量子ドット型赤外線検出器の構造は、実施の形態1の量子ドット型赤外線検出器と略同じである。ここで、量子井戸層18b,18cの厚さは、2MLである。また、障壁層16c,16d,16eの厚さは、夫々、3ML、2ML、及び6MLである。
図14は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。実施の形態1の量子ドット型赤外線検知器2は、図3に示すように、量子ドットの底面に接する下地障壁層20を有している。しかし、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器は、図14に示すように、このような下地障壁層20を有していない。この点を除き、本量子ドット型赤外線検出器の構造は、実施の形態1の赤外線検出器と略同じである。
4・・・光電変換層
6a,6b・・・電極層
14・・・量子ドット
16・・・第1の障壁層
18・・・量子井戸層
20・・・第2の障壁層
22,22a・・・中間層
41・・・赤外線イメージセンサ
42・・・赤外線センサアレイ
Claims (7)
- 第1の中間層と、前記第1の中間層の一面側に設けられエネルギーギャップが前記第1の中間層より狭い量子ドットと、少なくとも前記量子ドットの側面を覆いエネルギーギャップが前記第1の中間層より広い第1の障壁層と、前記第1の障壁層の前記第1の中間層とは反対側に設けられエネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第1の障壁層より狭い第1の量子井戸層と、前記第1の量子井戸層の前記第1の中間層とは反対側の面に接しエネルギーギャップが前記第1の量子井戸層および前記第1の中間層より広い第2の障壁層と、前記第2の障壁層の前記第1の中間層とは反対側の面に接しエネルギーギャップが前記量子ドットより広く前記第1の障壁層および前記第2の障壁層より狭い第2の中間層とを有する光電変換層と、
前記光電変換層の両側に設けられた電極層とを、
備えた量子ドット型赤外線検知器。 - 請求項1に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記第1の量子井戸層は、前記量子ドットに接していることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。 - 請求項1に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記第1の量子井戸層は、前記量子ドットに接していないことを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。 - 請求項1に記載の量子ドット型赤外線検知器において、さらに、
前記第1の量子井戸層の前記第1の中間層側の面に接し、エネルギーギャップが前記第1の量子井戸層、前記第1の中間層、および前記第2の中間層より広い第3の障壁層と、
前記第3の障壁層の前記第1の中間層側の面に接し、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く前記第1の障壁層と前記第2の障壁層と前記第3の障壁層より狭い第2の量子井戸層とを有することを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、さらに、
前記量子ドットの前記第1の中間層側の面に接し、エネルギーギャップが前記第1の量子井戸層、前記第1の中間層、および前記第2の中間層より広い第4の障壁層を有することを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子ドット、前記第1の障壁層、前記第2の障壁層、前記第3の障壁層、前記第4の障壁層、前記第1の量子井戸層、前記第2の量子井戸層、前記第1の中間層、及び前記第2の中間層が、夫々、InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, InN, GaN, AlNからなる群から選択された半導体または前記半導体の混晶により形成されていることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。 - 第1の中間層と、前記第1の中間層の一面側に設けられエネルギーギャップが前記第1の中間層より狭い量子ドットと、少なくとも前記量子ドットの側面を覆いエネルギーギャップが前記第1の中間層より広い第1の障壁層と、前記第1の障壁層の前記第1の中間層とは反対側に設けられエネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第1の障壁層より狭い第1の量子井戸層と、前記第1の量子井戸層の前記第1の中間層とは反対側の面に接しエネルギーギャップが前記第1の量子井戸層および前記第1の中間層より広い第2の障壁層と、前記第2の障壁層の前記第1の中間層とは反対側の面に接しエネルギーギャップが前記量子ドットより広く前記第1の障壁層および前記第2の障壁層より狭い第2の中間層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器が2次元配列された赤外線センサアレイと、
夫々の前記量子ドット型赤外線検知器が検知した光信号を処理して、前記赤外線センサアレイに投影された赤外線像の画像データを生成する光信号処理装置とを、
有する赤外線イメージセンサ。
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