JP5815772B2

JP5815772B2 - Quantum dot infrared detector, quantum dot infrared detector, and quantum dot infrared imaging device

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Publication number: JP5815772B2
Application number: JP2014034918A
Authority: JP
Inventors: 実土志田; 雅子小林; 正敏小山; 裕泰山下; 内山　靖仁; 靖仁内山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP2015162478A

Description

本発明は量子ドット型赤外線検知素子、量子ドット型赤外線検知器及び量子ドット型赤外線撮像装置に関する。 The present invention relates to a quantum dot infrared detector, a quantum dot infrared detector, and a quantum dot infrared imaging device.

近年、１０μｍ帯の赤外線を検知する赤外線検知器として量子構造を利用した量子型赤外線検知器が用いられている。量子型赤外線検知器は、赤外線に対し活性な半導体層（活性層）と、その両端に形成された電極層によって構成される。検知器素子に赤外線が入射すると、活性層において光電変換され、検知器素子に光電流が流れる。素子に流れる電流の変化を読み取ることで光信号を検出する。 In recent years, a quantum infrared detector using a quantum structure has been used as an infrared detector for detecting infrared rays in the 10 μm band. The quantum infrared detector includes a semiconductor layer (active layer) active against infrared rays and electrode layers formed on both ends thereof. When infrared rays are incident on the detector element, photoelectric conversion is performed in the active layer, and a photocurrent flows through the detector element. An optical signal is detected by reading a change in current flowing through the element.

その中でも垂直に入射した赤外線の検知が可能な量子ドット型赤外線検知器（ＱｕａｎｔｕｍＤｏｔＩｎｆｒａｒｅｄＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＤＩＰ）が注目を集めている。量子ドット型赤外線検知器の活性層は量子ドットをバンドギャップがより大きい半導体層中に埋め込むことで形成される（例えば、特許文献１参照）。 Among them, a quantum dot infrared detector (QDIP) capable of detecting vertically incident infrared rays is attracting attention. The active layer of the quantum dot infrared detector is formed by embedding quantum dots in a semiconductor layer having a larger band gap (see, for example, Patent Document 1).

図７は、従来の量子ドット型赤外線検知素子の説明図であり、図７（ａ）は概念的断面図であり、図７（ｂ）は赤外線検知原理の説明図である。図７（ａ）に示すように、従来の量子ドット型赤外線検知素子は、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドット５２で構成される量子ドット層を、量子ドット層よりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓからなる中間層５３中に埋め込んだ活性層５１と、活性層５１の上下に形成されたｎ型ＧａＡｓからなる電極形成層５４，５５によって構成される。 7A and 7B are explanatory diagrams of a conventional quantum dot infrared detecting element, FIG. 7A is a conceptual cross-sectional view, and FIG. 7B is an explanatory diagram of the principle of infrared detection. As shown in FIG. 7 (a), the conventional quantum dot infrared detector includes a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots 52 composed of InAs and an intermediate layer composed of AlGaAs having a larger band gap than the quantum dot layer. The active layer 51 is embedded in the layer 53, and the electrode forming layers 54 and 55 made of n-type GaAs are formed above and below the active layer 51.

また、各電極形成層５４，５５には、それぞれエミッタ電極５６及びコレクタ電極５７が形成され、赤外線を検知する際には、エミッタ電極５６及びコレクタ電極５７を介して電源により活性層５１に電圧を印加する。 In addition, an emitter electrode 56 and a collector electrode 57 are formed on each of the electrode forming layers 54 and 55. When detecting infrared rays, a voltage is applied to the active layer 51 by the power source via the emitter electrode 56 and the collector electrode 57. Apply.

図７（ｂ）に示すように、外部から電圧が印加されることにより、エミッタ電極５６はコレクタ電極５７よりもエネルギー的に高い状態となり、活性層５１には電界傾斜が形成される。赤外線６０が活性層５１に入射すると、量子ドット５２の伝導帯側の量子準位５８に束縛されていた電子５９が励起されて束縛から脱出し、電界によってコレクタ電極５７へ移動して光電流を形成する。 As shown in FIG. 7B, when a voltage is applied from the outside, the emitter electrode 56 becomes energetically higher than the collector electrode 57, and an electric field gradient is formed in the active layer 51. When the infrared ray 60 is incident on the active layer 51, the electrons 59 bound to the quantum level 58 on the conduction band side of the quantum dots 52 are excited to escape from the binding, and move to the collector electrode 57 by the electric field to move the photocurrent. Form.

また、この時、電子５９が活性層５１から流出することにより活性層５１では平均空間電荷が電子１個分正に傾くため、活性層５１のポテンシャル（電位障壁）が低下し、エミッタ電極５６から活性層５１への電子の流入が促進される。 At this time, since the electrons 59 flow out of the active layer 51, the average space charge in the active layer 51 is inclined positively by one electron, so that the potential (potential barrier) of the active layer 51 is lowered and the emitter electrode 56 The inflow of electrons to the active layer 51 is promoted.

エミッタ電極５６から活性層５１に流入した後、そのままコレクタ電極５７へ流出する電子もまた、光電流を形成する。したがって、電子５９が励起されて束縛から脱出する際のポテンシャル変化量が大きいほど発生する光電流も大きいため、赤外線入射量の変化に対するポテンシャル変化量が大きい検知器は感度が大きくなる。 The electrons that flow from the emitter electrode 56 into the active layer 51 and then flow out to the collector electrode 57 also form a photocurrent. Accordingly, the larger the potential change amount when the electron 59 is excited and escapes from the binding, the larger the photocurrent generated. Therefore, the detector having a large potential change amount with respect to the change in the amount of incident infrared rays has a higher sensitivity.

また、電子５９が脱出した量子ドット５２は、電子を再捕獲するまで電子のない状態であり、入射赤外線に応答しない。検知器が継続的に赤外線を検知するためには、光励起による電子５９の脱出と量子準位５８が空状態の量子ドット５２による電子の捕獲が平行して発生する必要がある。 Further, the quantum dots 52 from which the electrons 59 have escaped are in a state in which no electrons exist until the electrons are recaptured, and do not respond to incident infrared rays. In order for the detector to continuously detect infrared rays, escape of electrons 59 due to photoexcitation and trapping of electrons by quantum dots 52 having an empty quantum level 58 must occur in parallel.

電子５９の捕獲が十分に行われない状態では赤外線に対する応答性が低く、検知器の感度雑音比が悪い。高い感度雑音比を持つ量子ドット型赤外線検知素子を実現するには、十分に電子の捕獲が行われる状態にする必要がある。なお、電極形成層をｐ型半導体で形成した場合には、価電子帯側に形成された量子準位に拘束された正孔により光電流が流れる。 In a state where electrons 59 are not sufficiently captured, the response to infrared rays is low, and the sensitivity / noise ratio of the detector is poor. In order to realize a quantum dot infrared detector having a high sensitivity-to-noise ratio, it is necessary to sufficiently capture electrons. Note that in the case where the electrode formation layer is formed of a p-type semiconductor, a photocurrent flows due to holes constrained by a quantum level formed on the valence band side.

一方、量子ドット型赤外線検知素子の感度を向上させるために、活性層を挟むようにスペーサ層を配置することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。図８は、従来のスペーサ層を設けた量子ドット型赤外線検知素子の説明図であり、図８（ａ）は概念的断面図であり、図８（ｂ）はバンドダイアグラムである。 On the other hand, in order to improve the sensitivity of the quantum dot infrared detection element, it has been proposed to arrange a spacer layer so as to sandwich the active layer (see, for example, Patent Document 2). 8A and 8B are explanatory diagrams of a conventional quantum dot infrared detecting element provided with a spacer layer. FIG. 8A is a conceptual cross-sectional view and FIG. 8B is a band diagram.

ＩｎＡｓからなる複数の量子ドット５２で構成される量子ドット層を、量子ドット層よりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓからなる中間層５３中に埋め込んだ活性層５１の上下にｎ型ＡｌＧａＡｓからなるスペーサ層６１，６２を設ける。また、このスペーサ層６１，６２の外側には、ｎ型ＧａＡｓからなる電極形成層５４，５５が設けられ、この電極形成層５４，５５には、それぞれエミッタ電極５６及びコレクタ電極５７が形成される。 A spacer layer 61 made of n-type AlGaAs is formed above and below an active layer 51 in which a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots 52 made of InAs is embedded in an intermediate layer 53 made of AlGaAs having a larger band gap than the quantum dot layer. , 62 are provided. In addition, electrode forming layers 54 and 55 made of n-type GaAs are provided outside the spacer layers 61 and 62, and an emitter electrode 56 and a collector electrode 57 are formed on the electrode forming layers 54 and 55, respectively. .

スペーサ層６１，６２を設けた場合には、光励起された電子５９の抜け出しによるポテンシャルの変動は、活性層５１における変動ΔＥ_１の他に、スペーサ層６１，６２における変動ΔＥ_２も生起する。したがって、電極形成層５４，５５からみた電子に対するポテンシャル変動は、ΔＥ_１＋ΔＥ_２となり、スペーサ層５４，５５を設けない場合の変動ΔＥ_１より、ΔＥ_２だけ大きくなる。その結果、光励起された電子５９の抜け出しによる光電流に引きずられて誘起される光電流が増加することになる。 In the case where the spacer layers 61 and 62 are provided, the potential fluctuation due to the escape of the photoexcited electrons 59 causes the fluctuation ΔE ₂ in the spacer layers 61 and 62 in addition to the fluctuation ΔE ₁ in the active layer 51. Therefore, the potential fluctuation with respect to electrons viewed from the electrode formation layers 54 and 55 is ΔE ₁ + ΔE ₂ , which is larger by ΔE ₂ than the fluctuation ΔE ₁ when the spacer layers 54 and 55 are not provided. As a result, the photocurrent induced by being dragged by the photocurrent caused by the escape of the photoexcited electrons 59 increases.

この時、スペーサ層の厚さの量子ドット積層構造の厚さに対する比を０．５〜１．４にすることで、光電流の増加を確実にすることができる。この場合、スペーサ層６１，６２は両側に対称に設けており、変動ΔＥ_２に対する寄与は両方のスペーサ層６１，６２によるものであるので、上下のスペーサ層の厚さの和の量子ドット積層構造の厚さに対する比としては、１〜２．８となる。 At this time, the increase in photocurrent can be ensured by setting the ratio of the thickness of the spacer layer to the thickness of the quantum dot stacked structure to 0.5 to 1.4. In this case, since the spacer layers 61 and 62 are provided symmetrically on both sides and the contribution to the variation ΔE ₂ is due to both the spacer layers 61 and 62, the quantum dot stacked structure having the sum of the thicknesses of the upper and lower spacer layers. The ratio to the thickness is 1 to 2.8.

特開２００８−１９８６７７号公報JP 2008-198677 A 特開２０１２−０１９０８３号公報JP 2012-019083 A

赤外線検知器は、精度良く赤外線を検知するために高い感度雑音比特性を持つことが望まれ、高い感度雑音比を持つ赤外線検知素子を実現するには、上述のように、十分にキャリアの捕獲が行われる状態にする必要がある。 Infrared detectors are required to have high sensitivity-to-noise ratio characteristics in order to detect infrared rays with high accuracy. To realize an infrared detector with a high sensitivity-to-noise ratio, as described above, sufficient carrier capture is required. Need to be in a state where

しかし、感度向上のためにスペーサ層を設けた量子ドット型赤外線検知器においては、キャリアの再捕獲が困難になるという問題がある。図８（ｂ）に示すように、エミッタ電極５６から活性層５１に流入した電子６３は、何らかの散乱によってエネルギーを失わない限り一定のエネルギーを保つ。 However, a quantum dot infrared detector provided with a spacer layer to improve sensitivity has a problem that it is difficult to recapture carriers. As shown in FIG. 8B, the electrons 63 that have flowed into the active layer 51 from the emitter electrode 56 maintain a constant energy unless the energy is lost due to some scattering.

印加されている電界により、活性層５１のエネルギーポテンシャルはコレクタ電極５７に近い側で低くなるため、電子６３はコレクタ電極５７に近い領域で運動エネルギーが大きく、即ち、速度が大きくなる。このため、コレクタ電極５７により近い位置にある量子ドット層を電子６３は短時間で横断するため、量子準位に捕獲されにくくなる。 Due to the applied electric field, the energy potential of the active layer 51 is lowered on the side close to the collector electrode 57, so that the electrons 63 have a large kinetic energy in the region near the collector electrode 57, that is, the velocity is increased. For this reason, since the electrons 63 cross the quantum dot layer located closer to the collector electrode 57 in a short time, it is difficult to be captured by the quantum level.

したがって、スペーサ層を設けた量子ドット型赤外線検知素子において、より高い感度雑音比を実現することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a higher sensitivity-to-noise ratio in a quantum dot infrared detecting element provided with a spacer layer.

開示する一観点からは、複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層と前記上下の電極形成層の一方に設けるエミッタ電極と、前記上下の電極形成層の他方に設けるコレクタ電極とを有し、前記エミッタ電極側のスペーサ層の厚さが、前記コレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄く、且つ、前記上下のスペーサ層の厚さの和の前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が１〜２．８であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子が提供される。 From one aspect to be disclosed, a quantum dot stacked structure in which a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and the quantum dot layer are sandwiched and a plurality of stacked structures composed of an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are stacked; Upper and lower spacer layers sandwiching the dot stack structure, upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers, emitter electrodes provided on one of the upper and lower electrode forming layers, and provided on the other of the upper and lower electrode forming layers and a collector electrode, the thickness of the emitter electrode side of the spacer layer, the rather thin than the thickness of the collector electrode side of the spacer layer, and the quantum dot multilayer structure of the sum of the thickness of the upper and lower spacer layer A quantum dot infrared detecting element characterized in that the ratio of the thickness to the thickness is 1 to 2.8 .

また、開示する別の観点からは、複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層と、前記上下の電極形成層の一方に設けるエミッタ電極と、前記上下の電極形成層の他方に設けるコレクタ電極とを有し、前記エミッタ電極側のスペーサ層の厚さが、前記コレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄く、且つ、前記上下のスペーサ層の厚さの和の前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が１〜２．８である量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、前記各量子ドット型赤外線検知素子のコレクタ電極側の電極形成層に突起状電極を設けたことを特徴とする量子ドット型赤外線検知器が提供される。 Further, from another viewpoint to be disclosed, a quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are sandwiched between the quantum dot layer and the quantum dot layer Upper and lower spacer layers sandwiching the quantum dot stacked structure, upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers, emitter electrodes provided on one of the upper and lower electrode forming layers, and the upper and lower electrode forming layers and a collector electrode provided in the other, the thickness of the emitter electrode side of the spacer layer, the rather thin than the thickness of the collector electrode side of the spacer layer, and wherein the sum of the thicknesses of the upper and lower spacer layer to form a quantum dot infrared element ratio to the thickness of the quantum dot multilayer structure is 1 to 2.8 in a matrix, wherein each quantum dot Quantum dot infrared detectors, characterized in that a projecting electrode on the electrode forming layer of the collector electrode side of the infrared sensing device is provided.

また、開示するさらに別の観点からは、複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層と前記上下の電極形成層の一方に設けるエミッタ電極と、前記上下の電極形成層の他方に設けるコレクタ電極とを有し、前記エミッタ電極側のスペーサ層の厚さが、前記コレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄く、且つ、前記上下のスペーサ層の厚さの和の前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が１〜２．８である量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、前記各量子ドット型赤外線検知素子のコレクタ電極側の電極形成層に突起状電極を設けた量子ドット型赤外線検知器と、前記各突起状電極に対応する位置に接続パッドを有するとともに、信号処理回路を備えた半導体集積回路装置とを有する量子ドット型赤外線撮像装置が提供される。 Further, from another viewpoint to be disclosed, a quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are sandwiched between the quantum dot layers Upper and lower spacer layers sandwiching the quantum dot stacked structure, upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers, emitter electrodes provided on one of the upper and lower electrode forming layers, and the upper and lower electrode forming layers and a collector electrode provided in the other, the thickness of the emitter electrode side of the spacer layer, the rather thin than the thickness of the collector electrode side of the spacer layer, and wherein the sum of the thicknesses of the upper and lower spacer layer to form a quantum dot infrared element ratio to the thickness of the quantum dot multilayer structure is 1 to 2.8 in a matrix, wherein each quantum de A quantum dot infrared detector provided with a protruding electrode on the electrode forming layer on the collector electrode side of the G-shaped infrared detecting element, a connection pad at a position corresponding to each protruding electrode, and a signal processing circuit A quantum dot infrared imaging device having a semiconductor integrated circuit device is provided.

開示の量子ドット型赤外線検知素子、量子ドット型赤外線検知器及び量子ドット型赤外線撮像装置によれば、より高い感度雑音比を実現することが可能になる。 According to the disclosed quantum dot infrared detector, quantum dot infrared detector, and quantum dot infrared imaging device, it is possible to achieve a higher sensitivity-to-noise ratio.

本発明の実施の形態の量子ドット型赤外線検知素子の説明図である。It is explanatory drawing of the quantum dot type | mold infrared detection element of embodiment of this invention. Ｓ／Ｎ比のスペーサ層の厚さ配分依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the thickness distribution dependence of the spacer layer of S / N ratio. 本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子の製造工程の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle of the manufacturing process of the quantum dot type | mold infrared detection element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子の製造工程の図３以降の途中までの説明図である。It is explanatory drawing to the middle after FIG. 3 of the manufacturing process of the quantum dot infrared rays detection element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子の製造工程の図４以降の説明図である。It is explanatory drawing after FIG. 4 of the manufacturing process of the quantum dot infrared rays detection element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例２の量子ドット型赤外線撮像装置の概念的斜図である。It is a notional oblique view of the quantum dot type infrared imaging device of Example 2 of the present invention. 従来の量子ドット型赤外線検知素子の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional quantum dot type infrared detection element. 従来のスペーサ層を設けた従来の量子ドット型赤外線検知素子の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional quantum dot type | mold infrared detection element which provided the conventional spacer layer.

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の量子ドット型赤外線検知素子を説明する。図１は本発明の実施の形態の量子ドット型赤外線検知素子の説明図であり、図１（ａ）は、概念的断面図であり、図１（ｂ）はバンドダイアグラムである。 Here, with reference to FIG.1 and FIG.2, the quantum dot type | mold infrared detection element of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is an explanatory diagram of a quantum dot infrared detecting element according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) is a conceptual cross-sectional view, and FIG. 1 (b) is a band diagram.

図１（ａ）に示すように、複数の量子ドット２からなる量子ドット層と量子ドット層を挟み込むとともに量子ドット２よりバンドギャップが広い中間層３からなる積層構造を複数積層して量子ドット積層構造１を形成する。この量子ドット積層構造１を挟み込むように、上下のスペーサ層４，５を設けるとともに、上下のスペーサ層４，５の外側に上下の電極形成層６，７を設ける。また、一方の電極形成層６にエミッタ電極８を設け、他方の電極形成層７にコレクタ電極９を設ける。 As shown in FIG. 1A, a quantum dot stack is formed by stacking a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots 2 and a quantum dot layer and an intermediate layer 3 having a wider band gap than the quantum dots 2. Structure 1 is formed. Upper and lower spacer layers 4 and 5 are provided so as to sandwich the quantum dot laminated structure 1, and upper and lower electrode forming layers 6 and 7 are provided outside the upper and lower spacer layers 4 and 5. Further, an emitter electrode 8 is provided on one electrode formation layer 6, and a collector electrode 9 is provided on the other electrode formation layer 7.

ここで、エミッタ電極８側のスペーサ層４の厚さを、コレクタ電極９側のスペーサ層５の厚さより薄くするとともに、上下のスペーサ層４，５の厚さの和が量子ドット積層構造１の厚さの１倍から２．８倍となるようにして光電流の増加をより確実にする。また、スペーサ層４，５は典型的には中間層３と同じ組成とする。 Here, the thickness of the spacer layer 4 on the emitter electrode 8 side is made thinner than the thickness of the spacer layer 5 on the collector electrode 9 side, and the sum of the thicknesses of the upper and lower spacer layers 4 and 5 is The increase in photocurrent is made more reliable by increasing the thickness from 1 to 2.8 times. The spacer layers 4 and 5 typically have the same composition as the intermediate layer 3.

なお、各層の組成は検出する赤外線の波長に応じて任意である。典型的には、量子ドット２としてはＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）を、中間層３としては、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）を、スペーサ層４，５としてはＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ＜１）を用いる。 The composition of each layer is arbitrary depending on the wavelength of infrared rays to be detected. Typically, In _1-x Ga _x As (0 ≦ x <1) is used as the quantum dot 2, and Al _y Ga _1-y As (0 ≦ y <1) is used as the intermediate layer 3. As 4 and 5, Al _z Ga _1-z As (0 ≦ z <1) is used.

図１（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態の量子ドット型赤外線検知素子においては、エミッタ電極８側のスペーサ層４の厚さを、コレクタ電極９側のスペーサ層５の厚さより薄くしている。したがって、エミッタ電極８から活性層に流入したキャリア１０は、運動エネルギーの少ない状態で量子ドット積層構造１を横断することになるため、量子ドット２に形成された量子準位に捕獲されやすく、高い感度雑音比を得られる。 As shown in FIG. 1B, in the quantum dot infrared detecting element according to the embodiment of the present invention, the thickness of the spacer layer 4 on the emitter electrode 8 side is made larger than the thickness of the spacer layer 5 on the collector electrode 9 side. It is thin. Therefore, since the carrier 10 that has flowed into the active layer from the emitter electrode 8 traverses the quantum dot stacked structure 1 with a small amount of kinetic energy, it is easily trapped by the quantum level formed in the quantum dot 2 and is high. Sensitivity to noise ratio can be obtained.

図２は、Ｓ／Ｎ比のスペーサ層の厚さ配分依存性の説明図であり、ここでは、量子ドット積層構造の厚さを３００ｎｍとし、スペーサ層４，５の総厚さを一定の７２５ｎｍとし、スペーサ層をＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとし、中間層もＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓとした場合の結果を示している。図２における３点の試料のスペーサ層４の厚さ：スペーサ層５の厚さは、左から１９５ｎｍ：５３０ｎｍ、３６５ｎｍ：３６０ｎｍ、５３５ｎｍ：１９０ｎｍである。図２から明らかなように、エミッタ電極８側のスペーサ層４がより薄い条件において、より高い感度雑音比が得られていることがわかる。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the dependency of the S / N ratio on the thickness distribution of the spacer layer. Here, the thickness of the quantum dot stacked structure is 300 nm, and the total thickness of the spacer layers 4 and 5 is a constant 725 nm. And the spacer layer is Al _0.2 Ga _0.8 As, and the intermediate layer is Al _0.2 Ga _0.8 As. The thickness of the spacer layer 4 of the three samples in FIG. 2: the thickness of the spacer layer 5 is 195 nm: 530 nm, 365 nm: 360 nm, 535 nm: 190 nm from the left. As is apparent from FIG. 2, it can be seen that a higher sensitivity-to-noise ratio is obtained under the condition that the spacer layer 4 on the emitter electrode 8 side is thinner.

また、この量子ドット型赤外線検知素子を二次元マトリクス状に集積化することによって、量子ドット型赤外線検知器となる。また、量子ドット型赤外線検知素子の陽極側の電極形成層に突起状電極を設け、この各突起状電極に対応する位置に接続パッドを有する信号処理回路を備えた半導体集積回路装置と接合することによって量子ドット型赤外線撮像装置となる。 Also, by integrating the quantum dot infrared detectors in a two-dimensional matrix, a quantum dot infrared detector is obtained. Also, a protruding electrode is provided on the electrode forming layer on the anode side of the quantum dot infrared detecting element, and it is bonded to a semiconductor integrated circuit device having a signal processing circuit having a connection pad at a position corresponding to each protruding electrode. Thus, a quantum dot infrared imaging device is obtained.

次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子を説明する。図３（ａ）に示すように、まず、分子線エピタキシー法により、基板温度を６００℃とした状態で、半絶縁性ＧａＡｓ基板２１上に下部電極形成層となる厚さが１０００ｎｍで、Ｓｉを２×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたｎ型ＧａＡｓ層２２を成長する。 Next, with reference to FIG. 3 thru | or FIG. 5, the quantum dot type | mold infrared detection element of Example 1 of this invention is demonstrated. As shown in FIG. 3A, first, the thickness of the lower electrode formation layer on the semi-insulating GaAs substrate 21 is 1000 nm and Si is deposited on the semi-insulating GaAs substrate 21 by a molecular beam epitaxy method at a substrate temperature of 600 ° C. A 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ doped n-type GaAs layer 22 is grown.

引き続いて、図３（ｂ）に示すように、下部スペーサ層となる厚さが２００ｎｍでＳｉを１×１０^１６ｃｍ^−３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層２３を成長する。引き続いて、下地層となる厚さが３０ｎｍのノンドープのｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層２４を成長する。この下地層は後述する中間層と実効的に同じ機能を有する。 Subsequently, as shown in FIG. 3B, an n-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer 23 having a thickness of 200 nm and doped with Si of 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ is grown as a lower spacer layer. . Subsequently, a non-doped i-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer 24 having a thickness of 30 nm is formed as a base layer. This underlayer has effectively the same function as an intermediate layer described later.

次いで、図３（ｃ）に示すように、基板温度を６００℃から４７０℃に降下させ、成長速度を０.２ＭＬ／ｓとして、ＩｎＡｓを２．０ＭＬ分供給して多数のＩｎＡｓ量子ドット２５からなる量子ドット層を成長する。この時、ある程度の量のＩｎＡｓ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２５が自己形成される。 Next, as shown in FIG. 3C, the substrate temperature is lowered from 600 ° C. to 470 ° C., the growth rate is set to 0.2 ML / s, and 2.0 mL of InAs is supplied to increase the number of InAs quantum dots 25. Grows a quantum dot layer. At this time, by supplying a certain amount of InAs, the compressive strain applied to InAs increases, InAs grows three-dimensionally, and InAs quantum dots 25 are self-formed.

次いで、図４（ｄ）に示すように、基板温度を４７０℃から再び６００℃まで上昇させて、中間層として、厚さが３０ｎｍのアンドープのｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層２６を成長する。この量子ドット層の成長と中間層の成長をさらに９回繰り返すことによって１０層の量子ドット層を有する量子ドット積層構造からなる活性層２７を形成する。 Next, as shown in FIG. 4D, the substrate temperature is increased again from 470 ° C. to 600 ° C., and an undoped i-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer 26 having a thickness of 30 nm is formed as an intermediate layer. To grow. By repeating the growth of the quantum dot layer and the growth of the intermediate layer 9 times, an active layer 27 having a quantum dot stacked structure having 10 quantum dot layers is formed.

次いで、図４（ｅ）に示すように、基板温度を６００℃としたままで、上部スペーサ層となる厚さが５００ｎｍでＳｉを１×１０^１６ｃｍ^−３ドープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層２８を成長する。引き続いて、上部電極形成層となる厚さが１０００ｎｍでＳｉを１×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたｎ型ＧａＡｓ層２９を成長させる。 Next, as shown in FIG. 4E, the n-type Al _0.2 Ga doped with Si at 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ with a thickness of 500 nm as the upper spacer layer with the substrate temperature kept at 600 ° C. _0.8 As layer 28 is grown. Subsequently, an n-type GaAs layer 29 having a thickness of 1000 nm and doped with Si of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ is grown as an upper electrode formation layer.

次いで、図５（ｆ）に示すように、標準的なリソグラフィー及びドライエッチングにより、ｎ型ＧａＡｓ層２２の一部を露出させる。次いで、図５（ｇ）に示すように、標準的な金属蒸着法により、ｎ型ＧａＡｓ層２２の露出部及びｎ型ＧａＡｓ層２９の表面に、ＡｕＧｅ層及びＡｕ層を順次蒸着してＡｕＧｅ／Ａｕ構造のエミッタ電極３０及びコレクタ電極３１を形成する。 Next, as shown in FIG. 5F, a part of the n-type GaAs layer 22 is exposed by standard lithography and dry etching. Next, as shown in FIG. 5G, an AuGe layer and an Au layer are sequentially deposited on the exposed portion of the n-type GaAs layer 22 and the surface of the n-type GaAs layer 29 by a standard metal vapor deposition method. An emitter electrode 30 and a collector electrode 31 having an Au structure are formed.

このエミッタ電極３０及びコレクタ電極３１をＣＭＯＳ回路などに接続し、ｎ型ＧａＡｓ層２２とｎ型ＧａＡｓ層２９との間に電位差を与えてその間に流れる電流を検知器３２で計測する。なお、図５（ｆ）における電源３３はＣＭＯＳ回路などによる等価的な電源を示している。 The emitter electrode 30 and the collector electrode 31 are connected to a CMOS circuit or the like, a potential difference is applied between the n-type GaAs layer 22 and the n-type GaAs layer 29, and the current flowing therebetween is measured by the detector 32. Note that the power source 33 in FIG. 5F represents an equivalent power source such as a CMOS circuit.

本発明の実施例１においては、エミッタ電極側のスペーサ層の厚さをコレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄くしているので、エミッタ電極３０から注入された電子はＩｎＡｓ量子ドット２５に形成された量子準位に効率的に捕獲されることになる。その結果、上下のスペーサ層を同じ厚さにした場合に比べてより高い感度雑音比が得られる。 In Example 1 of the present invention, since the thickness of the spacer layer on the emitter electrode side is made thinner than the thickness of the spacer layer on the collector electrode side, electrons injected from the emitter electrode 30 are formed in the InAs quantum dots 25. It is efficiently captured by the quantum level. As a result, a higher sensitivity-to-noise ratio can be obtained than when the upper and lower spacer layers have the same thickness.

次に、図６を参照して、本発明の実施例２の量子ドット型赤外線撮像装置を説明するが、基本的な製造工程は、上記の実施例１と全く同様であるので製造工程の図示は省略する。図６は、本発明の実施例２の量子ドット型赤外線撮像装置の概念的斜視図である。量子ドット型赤外線検知器４１が、半絶縁性ＧａＡｓ基板側がアップサイドになるようにして、バンプ４３を介して信号処理回路を備えたＳｉ集積回路装置４２上にフリップチップボンディングされている。 Next, the quantum dot infrared imaging device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6, but the basic manufacturing process is exactly the same as the first embodiment, and the manufacturing process is illustrated. Is omitted. FIG. 6 is a conceptual perspective view of a quantum dot infrared imaging device according to Embodiment 2 of the present invention. A quantum dot infrared detector 41 is flip-chip bonded on a Si integrated circuit device 42 provided with a signal processing circuit via bumps 43 so that the semi-insulating GaAs substrate side is upside.

この場合の量子ドット型赤外線検知器４１は、実施例１における図５（ｆ）の工程において、二次元マトリクスアレイ状に素子を分離し、ｎ型ＧａＡｓ層２２に共通のエミッタ電極を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓ層２９に個別のコレクタ電極を設けたものである。 In this case, the quantum dot infrared detector 41 separates elements in a two-dimensional matrix array in the step of FIG. 5F in the first embodiment, and forms a common emitter electrode in the n-type GaAs layer 22. The n-type GaAs layer 29 is provided with individual collector electrodes.

また、バンプ４３はｎ型ＧａＡｓ層２９に設けた個別のコレクタ電極に接続するように設けられている。なお、この場合の画素数は任意であるが、例えば、数百×数百以上の画素数とする。 The bumps 43 are provided so as to be connected to individual collector electrodes provided on the n-type GaAs layer 29. Note that the number of pixels in this case is arbitrary, but for example, the number of pixels is several hundreds × several hundreds or more.

このように、本発明の実施例２においては、量子ドット積層構造の上下にスペーサ層を形成しているので、高い光電流を得ることが可能になり、且つ、エミッタ電極側のスペーサ層を薄くしているので、高い感度雑音比の赤外線撮像装置が得られる。 Thus, in Example 2 of the present invention, since the spacer layers are formed above and below the quantum dot stacked structure, a high photocurrent can be obtained, and the spacer layer on the emitter electrode side is made thin. Therefore, an infrared imaging device having a high sensitivity / noise ratio can be obtained.

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は、各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、成長方法として分子線エピタキシャル法を用いているが、分子線エピタキシャル法に限られるものではなく、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いても良い。 As mentioned above, although each Example of this invention was described, this invention is not restricted to the conditions shown in each Example. For example, although the molecular beam epitaxial method is used as the growth method, the method is not limited to the molecular beam epitaxial method, and for example, an MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) may be used.

また、上記の各実施例においては、中間層とスペーサ層とを同じ組成比のＡｌＧａＡｓで形成しているが、組成比は必ずしも同じである必要はなく、例えば、スペーサ層のＡｌ組成比を中間層のＡｌ組成比より低くしても良い。この場合、電極形成層に存在する電子から見たスペーサ層による電位障壁は低くなる。 In each of the above embodiments, the intermediate layer and the spacer layer are formed of AlGaAs having the same composition ratio, but the composition ratio is not necessarily the same. For example, the Al composition ratio of the spacer layer is intermediate. It may be lower than the Al composition ratio of the layer. In this case, the potential barrier due to the spacer layer as seen from the electrons present in the electrode formation layer is lowered.

また、上記の各実施例においては、基板側をエミッタ側としているが、基板側をコレクタ層として基板側の電極形成層を成長層側の電極形成層より厚くしても良い。また、上記の各実施例においては、電極形成層等をｎ型として電子をキャリアにしているが、電極形成層等をｐ型として正孔をキャリアにしても良い。 In each of the above embodiments, the substrate side is the emitter side. However, the substrate side may be the collector layer, and the substrate side electrode formation layer may be thicker than the growth layer side electrode formation layer. In each of the above embodiments, the electrode forming layer or the like is n-type and electrons are used as carriers. However, the electrode forming layer or the like may be p-type and holes are used as carriers.

１量子ドット積層構造
２量子ドット
３中間層
４，５スペーサ層
６，７電極形成層
８エミッタ電極
９コレクタ電極
１０キャリア
２１半絶縁性ＧａＡｓ基板
２２ｎ型ＧａＡｓ層
２３ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
２４ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
２５ＩｎＡｓ量子ドット
２６ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
２７活性層
２８ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
２９ｎ型ＧａＡｓ層
３０エミッタ電極
３１コレクタ電極
３２検知器
３３電源
４１量子ドット型赤外線検知器
４２Ｓｉ集積回路装置
４３バンプ
５１活性層
５２量子ドット
５３中間層
５４，５５電極形成層
５６エミッタ電極
５７コレクタ電極
５８量子準位
５９電子
６０赤外線
６１，６２スペーサ層
６３電子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quantum dot laminated structure 2 Quantum dot 3 Intermediate layer 4, 5 Spacer layer 6, 7 Electrode formation layer 8 Emitter electrode 9 Collector electrode 10 Carrier 21 Semi-insulating GaAs substrate 22 n-type GaAs layer 23 n-type Al _0.2 Ga _{0 .8} As layer 24 i-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer 25 InAs quantum dots 26 i-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer 27 active layer 28 n-type Al _0.2 Ga _0.8 As layer 29 n-type GaAs layer 30 emitter electrode 31 collector electrode 32 detector 33 power supply 41 quantum dot infrared detector 42 Si integrated circuit device 43 bump 51 active layer 52 quantum dot 53 intermediate layer 54, 55 electrode formation layer 56 emitter electrode 57 collector Electrode 58 Quantum level 59 Electron 60 Infrared 61, 62 Spacer layer 63 Electron

Claims

複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、
前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、
前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層と
前記上下の電極形成層の一方に設けるエミッタ電極と、
前記上下の電極形成層の他方に設けるコレクタ電極と
を有し、
前記エミッタ電極側のスペーサ層の厚さが、前記コレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄く、且つ、
前記上下のスペーサ層の厚さの和の前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が１〜２．８であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。 A quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are sandwiched therebetween,
Upper and lower spacer layers sandwiching the quantum dot stacked structure;
Upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers; and an emitter electrode provided on one of the upper and lower electrode forming layers;
A collector electrode provided on the other of the upper and lower electrode forming layers,
The thickness of the emitter electrode side of the spacer layer is rather thin than the thickness of the collector electrode side of the spacer layer, and,
The quantum dot infrared detection element , wherein a ratio of a sum of thicknesses of the upper and lower spacer layers to a thickness of the quantum dot stacked structure is 1 to 2.8 .

前記スペーサ層が、前記中間層と同じ材料からなる層であることを特徴とする請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知素子。 The quantum dot infrared detection element according to claim 1, wherein the spacer layer is a layer made of the same material as the intermediate layer.

前記量子ドットがＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、前記中間層がＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）からなり、且つ、前記スペーサ層がＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ＜１）からなる請求項１または請求項２に記載の量子ドット型赤外線検知素子。 The quantum dots are made of In _1-x Ga _x As (0 ≦ x <1), the intermediate layer is made of Al _y Ga _1-y As (0 ≦ y <1), and the spacer layer is made of Al _z. The quantum dot infrared detection element according to claim 1 or 2, comprising Ga _1-z As (0 ≦ z <1).

複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層と、前記上下の電極形成層の一方に設けるエミッタ電極と、前記上下の電極形成層の他方に設けるコレクタ電極とを有し、前記エミッタ電極側のスペーサ層の厚さが、前記コレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄く、且つ、前記上下のスペーサ層の厚さの和の前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が１〜２．８である量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、
前記各量子ドット型赤外線検知素子のコレクタ電極側の電極形成層に突起状電極を設けたことを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。 A quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and the quantum dot layer and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are stacked, and upper and lower layers sandwiching the quantum dot stacked structure A spacer layer; upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers; an emitter electrode provided on one of the upper and lower electrode forming layers; and a collector electrode provided on the other of the upper and lower electrode forming layers. the thickness of the emitter electrode side of the spacer layer, the rather thin than the thickness of the collector electrode side of the spacer layer, and the ratio to the thickness of the quantum dot multilayer structure of the sum of the thickness of the upper and lower spacer layer While forming the quantum dot type | mold infrared detection element which is 1-2.8 in a matrix form,
A quantum dot infrared detector, wherein a protruding electrode is provided on an electrode forming layer on the collector electrode side of each quantum dot infrared detector.

複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層と前記上下の電極形成層の一方に設けるエミッタ電極と、前記上下の電極形成層の他方に設けるコレクタ電極とを有し、前記エミッタ電極側のスペーサ層の厚さが、前記コレクタ電極側のスペーサ層の厚さより薄く、且つ、前記上下のスペーサ層の厚さの和の前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が１〜２．８である量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、前記各量子ドット型赤外線検知素子のコレクタ電極の電極形成層に突起状電極を設けた量子ドット型赤外線検知器と、
前記各突起状電極に対応する位置に接続パッドを有するとともに、信号処理回路を備えた半導体集積回路装置と
を有する量子ドット型赤外線撮像装置。 A quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and the quantum dot layer and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are stacked, and upper and lower layers sandwiching the quantum dot stacked structure A spacer layer; upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers; an emitter electrode provided on one of the upper and lower electrode forming layers; and a collector electrode provided on the other of the upper and lower electrode forming layers; the thickness of the emitter electrode side of the spacer layer, the rather thin than the thickness of the collector electrode side of the spacer layer, and the ratio to the thickness of the quantum dot multilayer structure of the sum of the thickness of the upper and lower spacer layer is 1 the quantum dot infrared detection element is 2.8 so as to form a matrix, wherein the collector electrodes of the quantum dot infrared device And quantum dot infrared detectors provided with protruding electrodes to the electrode forming layer,
A quantum dot infrared imaging device having a connection pad at a position corresponding to each protruding electrode and a semiconductor integrated circuit device having a signal processing circuit.