JP6402543B2 - Optical sensor, optical semiconductor element, and optical imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、光センサ、光半導体素子及び光撮像装置に関する。 The present invention relates to an optical sensor, an optical semiconductor element, and an optical imaging device.
従来、光を受光して電気信号に変換する光半導体素子がアレイ状に配置された光センサが用いられている。 Conventionally, an optical sensor is used in which optical semiconductor elements that receive light and convert it into an electrical signal are arranged in an array.
図1は、従来例の光センサを示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional optical sensor.
光センサ100は、所定の波長を有する光を受光して電気信号を生成する複数の光半導体素子10を備え、複数の光半導体素子10がアレイ状に配置されている。
The
光センサ100は、基板11と、基板11上に配置されるバッファ層12と、バッファ層12上に配置されるコンタクト層13aを備える。基板11と、バッファ層12と、コンタクト層13aは、各光半導体素子10に対して共通である。
The
光半導体素子10は、コンタクト層13a上に配置される中間層14と、中間層14上に配置される第1障壁層15と、第1障壁層15上に配置される量子ドット層17と、量子ドット層17上に配置される第3障壁層19を備える。量子ドット層17のキャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさは、第1障壁層15及び第3障壁層19よりも小さい。中間層14のキャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさは、第1障壁層15及び第3障壁層19よりも小さく且つ量子ドット16よりも大きい。
The
光センサ100は、第1障壁層15と、量子ドット層17と、第3障壁層19と、中間層14が積層された積層部を複数備える。
The
最も上方に位置する中間層14上にはコンタクト層13bが配置される。
A
コンタクト層13a及びコンタクト層13b上それぞれには、電極20a、20bが配置される。
光半導体素子10は、量子ドット16が、量子ドット16のキャリアに対するポテンシャルエネルギーよりも大きなポテンシャルエネルギーを有する第1障壁層15及び第3障壁層19に囲まれている。そのため、光エネルギーを受けて生成されたキャリアに対する量子閉じ込め効果が改善されており、感度に優れて光応答特性を有する。
In the
各光半導体素子の特性が同じであることが求められる。
各光半導体素子は、同一の波長で同一の光強度の光を受光した時、同一の電気信号を発生することが求められている。このような同一の光応答特性を有する光半導体素子がアレイ状に配置された光センサを用いることにより、解像度の良好な画像を得ることが期待される。
Each optical semiconductor element is required to have the same characteristics.
Each optical semiconductor element is required to generate the same electrical signal when receiving light having the same wavelength and the same light intensity. By using an optical sensor in which optical semiconductor elements having the same optical response characteristics are arranged in an array, it is expected to obtain an image with good resolution.
そこで、本明細書は、光応答特性が均一な光半導体素子がアレイ状に配置された光センサを提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present specification is to provide an optical sensor in which optical semiconductor elements having uniform optical response characteristics are arranged in an array.
また、本明細書は、そのような光センサのための光半導体素子を提供することを課題とする。 Moreover, this specification makes it a subject to provide the optical semiconductor element for such an optical sensor.
更に、本明細書は、光応答特性が均一な光半導体素子がアレイ状に配置された光センサを備える光撮像装置を提供することを課題とする。 Furthermore, this specification makes it a subject to provide an optical imaging device provided with the optical sensor by which the optical-semiconductor element with a uniform optical response characteristic is arrange | positioned at array form.
本明細書に開示する光センサの一形態によれば、第1障壁層と、上記第1障壁層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、上記第1障壁層よりも小さい複数の量子ドットを有する量子ドット層と、上記量子ドット層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、上記第1障壁層よりも小さく且つ上記量子ドットよりも大きい中間層と、上記中間層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが上記中間層よりも大きい第2障壁層と、を有する複数の光半導体素子が、配置されたアレイを備え、上記アレイ内において、各上記光半導体素子の上記第2障壁層の厚さの変化と、上記第1障壁層の厚さの変化とが対応している。 According to one mode of the optical sensor disclosed in the present specification, a plurality of first barrier layers and a plurality of potential energy with respect to carriers that are disposed on the first barrier layer are smaller than those of the first barrier layer. A quantum dot layer having quantum dots; an intermediate layer disposed on the quantum dot layer, wherein the potential energy for carriers is smaller than the first barrier layer and larger than the quantum dots; and on the intermediate layer A plurality of optical semiconductor elements each having a second barrier layer having a potential energy with respect to carriers larger than that of the intermediate layer, wherein the optical semiconductor elements are arranged in the array. The change in the thickness of the second barrier layer corresponds to the change in the thickness of the first barrier layer.
また、本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、第1障壁層と、上記第1障壁層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、上記第1障壁層よりも小さい複数の量子ドットを有する量子ドット層と、上記量子ドット層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、上記第1障壁層よりも小さく且つ上記量子ドットよりも大きい中間層と、上記中間層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが上記中間層よりも大きい第2障壁層と、を有し、上記第2障壁層の厚さの変化と、上記第1障壁層の厚さの変化とが対応している。 Further, according to one mode of the optical semiconductor element disclosed in this specification, the first barrier layer and the first barrier layer are disposed on the first barrier layer, and the magnitude of potential energy with respect to carriers is higher than that of the first barrier layer. A quantum dot layer having a plurality of small quantum dots, an intermediate layer disposed on the quantum dot layer, the potential energy for carriers being smaller than the first barrier layer and larger than the quantum dots, and A second barrier layer disposed on the intermediate layer and having a larger potential energy with respect to carriers than the intermediate layer, a change in thickness of the second barrier layer, and a thickness of the first barrier layer This change corresponds to the change.
更に、本明細書に開示する光撮像装置の一形態によれば、第1障壁層と、上記第1障壁層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、上記第1障壁層よりも小さい複数の量子ドットを有する量子ドット層と、上記量子ドット層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、上記第1障壁層よりも小さく且つ上記量子ドットよりも大きい中間層と、上記中間層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが上記中間層よりも大きい第2障壁層と、を有する複数の光半導体素子が配置されたアレイを備え、上記アレイ内において、各上記光半導体素子の上記第2障壁層の厚さの変化と、上記第1障壁層の厚さの変化とが対応している、光センサと、各光半導体素子が出力する電気信号を読み出す読み出し部と、を備える。 Furthermore, according to one mode of the optical imaging device disclosed in the present specification, the first barrier layer and the first barrier layer are disposed on the first barrier layer, and the magnitude of potential energy with respect to carriers is higher than that of the first barrier layer. A quantum dot layer having a plurality of small quantum dots, an intermediate layer disposed on the quantum dot layer, the potential energy for carriers being smaller than the first barrier layer and larger than the quantum dots, and An array of a plurality of optical semiconductor elements disposed on the intermediate layer and having a second barrier layer having a larger potential energy with respect to carriers than the intermediate layer; An optical sensor in which the change in the thickness of the second barrier layer of the semiconductor element corresponds to the change in the thickness of the first barrier layer, and each optical semiconductor element outputs And a reading unit for reading an electrical signal.
上述した本明細書に開示する光センサの一形態によれば、光応答特性が均一な光半導体素子がアレイ状に配置される。 According to one mode of the optical sensor disclosed in the present specification described above, optical semiconductor elements having uniform optical response characteristics are arranged in an array.
また、上述した本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、光応答特性が均一である。 Further, according to one mode of the optical semiconductor element disclosed in the present specification described above, the optical response characteristics are uniform.
更に、上述した本明細書に開示する光撮像装置の一形態によれば、光応答特性が均一な光半導体素子がアレイ状に配置された光センサを備える。 Furthermore, according to one mode of the optical imaging device disclosed in the present specification described above, an optical sensor in which optical semiconductor elements with uniform optical response characteristics are arranged in an array is provided.
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。 The objects and advantages of the invention will be realized and obtained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims.
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。 Both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention as claimed.
光センサでは、アレイ状に配置された各光半導体素子の光応答特性が同一であることが好ましい。各光半導体素子が、同一の波長で同一の光強度の光を受光した時、同一の電気信号を発生することにより、良好な画像を得ることができる。 In the optical sensor, it is preferable that the optical response characteristics of the respective optical semiconductor elements arranged in an array are the same. When each optical semiconductor element receives light having the same wavelength and the same light intensity, a good image can be obtained by generating the same electrical signal.
光半導体素子の光応答特性に影響を与えるものとして、暗電流が挙げられる。暗電流は、光応答によって発生する信号以外の電流成分である。暗電流が大きいと、光を受光していない時にも、光半導体素子は電気信号を生成するので、光応答特性を劣化する要因となり得る。また、個々の光半導体素子の暗電流が異なることは、各光半導体素子の光応答特性の均一性を劣化する要因となり得る。 A dark current is mentioned as what affects the optical response characteristic of an optical semiconductor element. The dark current is a current component other than the signal generated by the optical response. When the dark current is large, the optical semiconductor element generates an electrical signal even when light is not received, and this may be a factor that degrades the optical response characteristics. In addition, the difference in dark current between individual optical semiconductor elements can be a factor that degrades the uniformity of the optical response characteristics of each optical semiconductor element.
本願発明者等は、図1に示す光センサに配置された各光半導体素子の暗電流を調べた。 The inventors of the present application examined the dark current of each optical semiconductor element arranged in the optical sensor shown in FIG.
図2(A)は、暗電流と基板の動径方向の位置との関係を示す図である。 FIG. 2A is a diagram showing the relationship between the dark current and the position of the substrate in the radial direction.
光センサ100は、通常、基板11上に複数の光半導体素子10が2次元のアレイ状に形成され、所定の単位で切断して形成される。そこで、基板11上の動径方向の位置と、その位置に形成された光半導体素子の暗電流との関係を調べた。光半導体素子10の暗電流は、光を照射しない時の光半導体素子10から生成される電流を測定した。
The
図2(A)に示すように、光半導体素子10の暗電流は、光半導体素子10の位置が、基板11の中心から離れるに従って減少することが分かった。
As shown in FIG. 2A, it was found that the dark current of the
本願発明者等は、暗電流が、第1障壁層15の厚さと関係があると推定した。
The inventors of the present application estimated that the dark current is related to the thickness of the
図2(B)は、第1障壁層の厚さと基板の動径方向の位置との関係を示す図である。 FIG. 2B is a diagram showing the relationship between the thickness of the first barrier layer and the position of the substrate in the radial direction.
図2(B)に示すように、第1障壁層15の厚さは、基板11の中心から離れるに従って減少する。
As shown in FIG. 2B, the thickness of the
そこで、本願発明者等は、暗電流と、第1障壁層15の厚さとの関係を調べた。
Therefore, the inventors of the present application examined the relationship between the dark current and the thickness of the
図3は、暗電流と第1障壁層の厚さとの関係を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between the dark current and the thickness of the first barrier layer.
図3に示すように、暗電流は、第1障壁層の厚さが増加するのと共に増加することが分かった。 As shown in FIG. 3, it was found that the dark current increases as the thickness of the first barrier layer increases.
そこで、本願発明者等は、図2(A)に示すように、光半導体素子10の暗電流は、光半導体素子10の位置が、基板11の中心から離れるに従って減少することと、第1障壁層15の厚さとが関係していると考えた。
Accordingly, the inventors of the present application, as shown in FIG. 2A, show that the dark current of the
具体的には、第1障壁層15の厚さが厚くなると、量子ドット16の密度が高くなり且つ量子ドット16のサイズが小さくなるので、キャリアの束縛状態のエネルギー固有値が増大する。キャリアの束縛状態のエネルギー固有値が増大すると、第1障壁層15及び第3障壁層19のポテンシャルエネルギーの高さが相対的に低くなるので、キャリアが束縛状態から伝導帯のエネルギー準位に遷移し易くなるため、暗電流が増加する。
Specifically, as the thickness of the
ここで、第1障壁層15の厚さが、基板11の中心から離れるに従って減少する理由を、図4を参照して、以下に説明する。
Here, the reason why the thickness of the
図4(A)は、ノズルと基板との位置関係を示す図であり、図4(B)は、基板を固定して第1障壁層を形成した場合の膜厚分布を示す図であり、図4(C)は、基板を回転させて第1障壁層を形成した場合の膜厚分布を示す図である。 FIG. 4A is a diagram showing a positional relationship between the nozzle and the substrate, and FIG. 4B is a diagram showing a film thickness distribution when the substrate is fixed and the first barrier layer is formed. FIG. 4C is a diagram showing a film thickness distribution when the first barrier layer is formed by rotating the substrate.
図4(A)に示すように、ノズル40は、基板11の端部側の位置に配置される。ノズル40からは、第1障壁層15等を形成する材料のガスが、基板11に向かって放出される。ノズル40から放出されたガスが、基板11上に堆積して第1障壁層15が形成される。
As shown in FIG. 4A, the
ここで、基板11が固定された状態で、第1障壁層15が形成されると、第1障壁層15は、図4(B)に示すように、第1障壁層15の厚さが、ノズル40側の端部からノズル40とは反対側の端部に向かって減少するように、基板11上に形成される。
Here, when the
そこで、通常、第1障壁層15が基板11上に均一な厚さに形成されるように、基板11を回転させながら、ノズル40から材料のガスを放出させて、第1障壁層15を形成している。
Therefore, normally, the
図4(C)に示すように、基板11を回転させながら第1障壁層15を形成すると、第1障壁層15の厚さの均一性は向上するものの、基板11の中央の厚さが厚くなり端部に向かって厚さが減少するように、厚さ分布が形成される。
As shown in FIG. 4C, when the
以上が、第1障壁層15の厚さが、基板11の中心から離れるに従って減少することの説明である。
The above is an explanation that the thickness of the
本願発明者等は、均一な暗電流分布を有する光センサを得るためには、第1障壁層15の厚さの均一性が±0.5%以内にすることが好ましいという知見を得た。
The inventors of the present application have found that in order to obtain a photosensor having a uniform dark current distribution, it is preferable that the thickness uniformity of the
従来の光センサ100の第1障壁層15は、例えば分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法を用いて、基板11上に形成される。その標準的な第1障壁層15の厚さの均一性は、基板の面内において±1.5%程度である。従って、第1障壁層15の厚さの均一性を、±0.5%以内にすることは困難である。
The
そこで、本願発明者等は、第1障壁層の厚さの不均一性に起因して、暗電流が不均一になることを改善する光センサを、以下のように提案する。 Therefore, the inventors of the present application propose an optical sensor that improves non-uniform dark current due to non-uniform thickness of the first barrier layer as follows.
以下、本明細書で開示する光センサの好ましい第1実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。 Hereinafter, a preferred first embodiment of an optical sensor disclosed in this specification will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.
図5は、本明細書に開示する光センサの第1実施形態を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first embodiment of an optical sensor disclosed in this specification.
光センサ10は、所定の波長を有する光を受光して電気信号を生成する複数の光半導体素子10を備え、複数の光半導体素子10が2次元のアレイ状に配置されている。
The
光センサ10は、基板11と、基板11上に配置されるバッファ層12と、バッファ層12上に配置されるコンタクト層13aを備える。基板11と、バッファ層12と、コンタクト層13aは、各光半導体素子10に対して共通である。
The
光センサ10は、基板11の外方から光を受光するようになされている。
The
光半導体素子10は、コンタクト層13a上に配置される中間層14と、中間層14上に配置される第1障壁層15と、第1障壁層15上に配置される量子ドット層17と、量子ドット層17上に配置される第3障壁層19を備える。第3障壁層19は、量子ドット16の側部及び上部を覆う。
The
量子ドット層17のキャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさは、第1障壁層15及び第3障壁層19よりも小さい。中間層14のキャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさは、第1障壁層15及び第3障壁層19よりも小さく、且つ量子ドット16よりも大きい。ここで、キャリアは、電子又はホールである。
The magnitude of potential energy for carriers in the
光半導体素子10は、量子ドット16が、中間層14のキャリアに対するポテンシャルエネルギーよりも大きなポテンシャルエネルギーを有する第1障壁層15及び第3障壁層19に囲まれている。そのため、量子ドット16によるキャリアに対するポテンシャルエネルギーの井戸の実効的な深さが大きくなっており、光エネルギーを受けて生成されたキャリアに対する量子閉じ込め効果が改善されていて、感度に優れた光応答特性を有する。
In the
また、光センサ10は、中間層14上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが中間層14よりも大きい第2障壁層18を備える。
In addition, the
第1障壁層15と、量子ドット層17と、第3障壁層19と、中間層14と、第2障壁層18が積層されて、積層部Sが形成される。
The
第2障壁層18は、第1障壁層の厚さの不均一性に起因して暗電流が不均一になることを改善するために配置される層である。第2障壁層18の詳細な説明は、後述する。
The
第2障壁層18上には、中間層14が配置される。中間層14上には、第1障壁層15と、量子ドット層17と、第3障壁層19が積層される。
The
光センサ10は、第1障壁層15と、量子ドット層17と、第3障壁層19と、中間層14が積層された積層体を複数備える。
The
最も上方に位置する中間層14上にはコンタクト層13bが配置される。
A
コンタクト層13a及びコンタクト層13b上には、それぞれ、電極20a、20bが配置される。
次に、第2障壁層18について、更に説明する。
Next, the
図6は、第1障壁層及び第2障壁層の厚さと基板の動径方向の位置との関係を示す図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the thicknesses of the first barrier layer and the second barrier layer and the position of the substrate in the radial direction.
図6に示すように、2次元のアレイ内において、各光半導体素子10の第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応している。第2障壁層18の厚さは、第1障壁層15の厚さが厚い部分では厚く、第1障壁層15の厚さが薄い部分では薄く、第1障壁層15の厚さと対応するように変化する。
As shown in FIG. 6, the change in the thickness of the
第1障壁層15は、図4(C)を用いて説明したように形成されるので、基板11の中心における厚さが最も厚く、端部に向かって厚さが減少する厚さ分布を有する。
Since the
第2障壁層18も、第1障壁層15と同様の方法を用いて形成されるので、基板11の中心における厚さが最も厚く、端部に向かって厚さが減少する厚さ分布を有する。
Since the
従って、第2障壁層18は、基板11上において、各光半導体素子10の第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応している。光センサ10は、基板11上に複数の光半導体素子10が2次元のアレイ状に形成された後、所定の単位で基板11を切断して形成されるので、2次元のアレイ内において、各光半導体素子10の第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応することになる。
Accordingly, in the
第2障壁層18の厚さ分布を、第1障壁層15の厚さ分布と同じ様に形成する観点から、第2障壁層18及び第1障壁層15が、同じ材料及び/又は同じ方法を用いて、形成されることが好ましい。第2障壁層18及び第1障壁層15が、同じ材料及び同じ方法を用いて形成される場合には、第2障壁層18のキャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさは、第1障壁層15と同じになる。
From the viewpoint of forming the thickness distribution of the
上述したように、基板11上では、第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応しているので、個々の光半導体素子10が有する第2障壁層18の厚さと第1障壁層15の厚さとの関係についても、第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応している。基板11上に形成される光半導体素子10の寸法は、例えば数10μm四方であるが、この数10μm四方の領域においても、第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応している。
As described above, since the change in the thickness of the
第2障壁層18は、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、中間層14よりも大きいが、量子ドット16から第1障壁層15又は第3障壁層19を乗り越えたキャリアが、所定の確率でトンネリングできる厚さを有する。
The
第2障壁層18をキャリアがトンネリングするトンネル確率Tは、近似的に下記のように表される。
The tunnel probability T at which carriers tunnel through the
T ∝ EXP(−2a√(2m(V0−E))/(h/2π)) T ∝ EXP (-2a√ (2m (V 0 -E)) / (h / 2π))
ここで、第2障壁層18は矩形のポテンシャルエネルギーの形状を有するとし、ポテンシャルエネルギーの幅を2aとし、ポテンシャルエネルギーの高さをV0とし、キャリアの質量をmとし、キャリアのエネルギー固有値をEとし、hはプランク定数である。
Here, the
トンネル確率Tは、キャリアが第2障壁層18をトンネリングする前と後のキャリア密度の比を意味する。上式によれば、トンネル確率Tは、第2障壁層18の幅が薄くなるのと共に増加することが分かる。
The tunnel probability T means the ratio of carrier density before and after carriers tunnel through the
図7は、上式を用いて、第2障壁層のトンネル確率と基板の動径方向の位置との関係を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the tunneling probability of the second barrier layer and the position of the substrate in the radial direction using the above equation.
図6を用いて説明したように、第2障壁層18は、基板11の中心における厚さが最も厚く、端部に向かって厚さが減少する厚さ分布を有する。従って、図7に示すように、キャリアが第2障壁層18をトンネリングするトンネル確率Tは、厚さ分布とは反対で、基板11の中心におけるトンネル確率Tが最も低く、端部に向かってトンネル確率Tが増加する分布を有する。
As described with reference to FIG. 6, the
ここで、暗電流は、図2(A)に示すように、基板11の中心において最も大きく、端部に向かって減少する分布を有する。
Here, as shown in FIG. 2A, the dark current is the largest at the center of the
第2障壁層18のキャリアに対するトンネル確率Tは、暗電流が大きい基板11の中心で小さく、暗電流が小さい端部において大きいので、暗電流の基板11上の変化を打ち消すように働く。即ち、第2障壁層18は、基板11上の暗電流の分布が均一になるように機能する。
The tunneling probability T for carriers in the
基板11上の各位置における第2障壁層18の厚さは、基板11上の対応する位置にある第1障壁層15の厚さに起因する暗電流の変化を打ち消して、暗電流が基板11上で均一になるように決定されることが好ましい。
The thickness of the
従って、第2障壁層18の厚さは、第1障壁層15の厚さ変化に起因する暗電流の変化を打ち消すように相対的に変化させることが好ましい。この観点から、第2障壁層18及び第1障壁層15を、同じ材料及び同じ方法を用いて形成することが好ましい。第2障壁層18の厚さは、第1障壁層15の厚さ変化に起因する暗電流の変化を打ち消せる厚さであれば、できるだけ薄いことが、光半導体素子10の電気信号を大きくさせる観点から好ましい。
Therefore, it is preferable that the thickness of the
図8は、キャリアである電子に対する光半導体素子のバンド構造の例を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a band structure of an optical semiconductor element with respect to electrons as carriers.
量子ドット16は、電子に対して中間層14よりも低いポテンシャルエネルギーを有しており、井戸型の束縛状態を形成する。第1障壁層15及び第3障壁層19は、電子に対して同じ大きさのポテンシャルエネルギーを有する。第1障壁層15及び第3障壁層19の電子に対するポテンシャルエネルギーは、中間層14よりも大きいので、電子に対する量子閉じ込め効果が増大する。バンド構造の両端部には、コンタクト層13a、13bが配置される。
The
量子ドット16内では、量子化により、離散的な基底準位及び励起準位が形成される。基底準位にある電子が、赤外線等の光を吸収して、基底準位からサブバンド間遷移を経て励起準位に励起され、量子ドット16外に移動して自由電子となる。両側のコンタクト層13a、13bに電位差を設けて、自由電子を一方のコンタクト層を経由して外部へ引き出すことにより、電気信号として光が検知される。
In the
第2障壁層18は、量子ドット16の間に配置される。第2障壁層18は、電子に対して中間層14よりも高いポテンシャルエネルギーを有しており、中間層14の価電子帯を移動する自由電子を、所定のトンネル確率で透過する障壁として働く。
The
第2障壁層18を、第1障壁層15の厚さ変化に起因する暗電流の変化を打ち消すように機能させる観点からは、何れかの中間層14上に配置されていれば良い。第2障壁層18は、第1障壁層15とは直接接触しないように、例えば、中間層14を介在させて配置することが好ましい。
From the viewpoint of causing the
また、光センサ10が、第1障壁層15と、量子ドット層17と、第3障壁層19と、中間層14が積層された積層体を、3つ以上備える時には、第2障壁層18を、2つのコンタクト層の何れか一方に近い位置の積層体に配置する。そして、マイナスの電圧を、第2障壁層18に近い位置にあるコンタクト層に印加する。図8では、コンタクト層13aにマイナスの電位を印加し、コンタクト層13bにプラスの電位を印加した時のバンド構造が湾曲した様子を鎖線で示している。このようにすれば、電圧が印加されてバンド構造が湾曲した時に、伝導帯を移動する固有エネルギーの高い電子を、第2障壁層18でブロックできるので、第2障壁層18の上を電子が移動することにより、暗電流の均一化が損なわれることを防止できる。仮に、プラスの電圧が印加されたコンタクト層13bに近い位置の積層体に、第2障壁層18を配置した時には、伝導帯を移動する固有エネルギーの高い電子を、第2障壁層18でブロックできないおそれがある。
When the
図9は、暗電流と基板の動径方向の位置との関係を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the dark current and the position of the substrate in the radial direction.
図9中のカーブC1は、基板11上の第2障壁層18の厚さ分布を、図2(A)に示すような第1障壁層15に起因して生じる不均一な暗電流を打ち消すように形成して、その時の暗電流を、上式を用いて求めた結果である。鎖線で示すカーブC2は、図2(A)の暗電流を示す。
A curve C1 in FIG. 9 cancels the uneven dark current caused by the
カーブC1は、基板11の中心から端部に亘って、均一な暗電流が生じていることを示す。
A curve C1 indicates that a uniform dark current is generated from the center of the
このような基板11を所定の単位で切断して得られる光センサ1によれば、各光半導体素子10の暗電流が同じなので、各光半導体素子10の光応答特性が均一である。
According to the
次に、上述した光センサの第2実施形態を、図10を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第1実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。 Next, a second embodiment of the above-described optical sensor will be described below with reference to FIG. For points that are not particularly described in the other embodiments, the description in detail regarding the first embodiment is applied as appropriate. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same component.
図10は、本明細書に開示する光センサの第2実施形態を示す断面図である。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the optical sensor disclosed in this specification.
上述した第1実施形態の光センサを形成する各光半導体素子は、1つの第2障壁層を備えていたが、本実施形態の光センサ1の各光半導体素子10は、複数の第2障壁層18を備えている。
Each optical semiconductor element forming the optical sensor of the first embodiment described above includes one second barrier layer, but each
2次元のアレイ内において、各光半導体素子10が有する各第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応しているので、複数の第2障壁層18の厚さを合計した厚さも、第1障壁層15の厚さの変化とが対応する。
In the two-dimensional array, the change in the thickness of each
基板11上の各位置における複数の第2障壁層18の厚さを合計した厚さは、基板11上の対応する位置にある第1障壁層15の厚さに起因する暗電流の変化を打ち消して、暗電流が基板11上で均一になるように決定されることが好ましい。
The total thickness of the plurality of second barrier layers 18 at each position on the
本実施形態では、複数の第2障壁層18を配置する方法の一例として、3つの量子ドット層17毎に1つの第2障壁層18を配置することとした。
In the present embodiment, as an example of a method of arranging a plurality of second barrier layers 18, one
具体的には、第1障壁層15と量子ドット層17と第3障壁層19と中間層14と第2障壁層18とが積層されて形成される積層部Sが、3つの量子ドット層17毎に配置される。
Specifically, the stacked portion S formed by stacking the
上述した本実施形態の光センサ1によれば、上述した第1実施形態と同様の効果が得られる。
According to the
また、他の第2障壁層18を、コンタクト層13aとコンタクト層13aに最も近い第1障壁層15との間に位置する中間層14に介在させてもよい。同様に、他の第2障壁層18を、コンタクト層13bとコンタクト層13bに最も近い第3障壁層19との間に位置する中間層14に介在させてもよい。
Another
上述した各実施形態の光センサは、以下に説明するように光撮像装置に組み込まれて用いることができる。 The optical sensor of each embodiment described above can be used by being incorporated in an optical imaging device as described below.
図11は、本明細書に開示する光撮像装置の一実施形態を示す断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of an optical imaging device disclosed in this specification.
本実施形態の光撮像装置30は、上述した光センサ1と、各光半導体素子10が出力する電気信号を読み出す読み出し部を有する駆動部31を備える。
The
図11に示す例では、光センサ1として、上述した第1実施形態の光センサを用いる。
In the example illustrated in FIG. 11, the optical sensor of the first embodiment described above is used as the
各光半導体素子10の電極20bは、駆動部31上の図示しない電極と、バンプ21を介して電気的に接続される。
The
例えば、数100以上の光半導体素子10が2次元のアレイ状に配置された光センサ1を用いて、赤外線を受光して撮像する光撮像装置30を形成することができる。
For example, it is possible to form the
上述した本実施形態の光撮像装置30によれば、光応答特性が均一な光半導体素子がアレイ状に配置された光センサを備えるので、良好な画像を得ることができる。
According to the above-described
次に、上述した光センサの製造方法の好ましい第1実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。 Next, a preferred first embodiment of the above-described optical sensor manufacturing method will be described below with reference to the drawings.
本実施形態の光センサの製造方法は、図5に示す光センサを製造する方法に関する。 The manufacturing method of the optical sensor of this embodiment relates to a method of manufacturing the optical sensor shown in FIG.
まず、図12に示すように、基板11上にバッファ層12及びn型の極性を有するコンタクト層13aが形成される。本実施形態では、基板11として、GaAs基板を用いた。本実施形態では、特に断らない限り、MBE法を用いて、各層を形成する。バッファ層12は、厚さを100nmとして、GaAsを用いて形成した。コンタクト層13aは、厚さを約250nmとし、Siをドーパントとして、GaAsを用いて形成した。
First, as shown in FIG. 12, the
次に、図13に示すように、コンタクト層13a上に中間層14が形成される。本実施形態では、中間層14は、厚さを約25nmとして、AlGaAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 13, the
次に、図14に示すように、中間層14上に第1障壁層15が形成される。本実施形態では、第1障壁層15は、平均厚さを約0.4nmとして、AlAsを用いて形成された。第1障壁層15は、MBE法を用いて、図2(A)に示すような方法を用いて形成される。
Next, as shown in FIG. 14, the
次に、図15に示すように、第1障壁層15上に複数の量子ドット16を有する量子ドット層17が形成される。量子ドット16は、例えば格子不整合を利用した自己組織化法を用いて形成される。本実施形態では、量子ドット16の直径は約10〜20nmであり、高さは約1〜2nmであり、面密度は約1011個/cm2であった。量子ドット16は、InAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 15, a
次に、図16に示すように、量子ドット層17上に第3障壁層19が形成される。第3障壁層19は、量子ドット16の側部及び上部を覆うように形成される。本実施形態では、第3障壁層19は、AlAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 16, a
次に、図17に示すように、第3障壁層19上に中間層14が形成される。本実施形態では、中間層14は、厚さを25nmとして、AlGaAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 17, the
次に、図18に示すように、中間層14上に第2障壁層18が形成される。第2障壁層18は、第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応するように形成される。本実施形態では、第2障壁層18は、平均厚さを約1nmとして、AlAsを用いて形成された。第2障壁層18は、第1障壁層15と同様に、MBE法を用いて、図2(A)に示すような方法を用いて形成される。第2障壁層18の厚さは、第1障壁層15の厚さ変化に起因する暗電流の変化を打ち消すように相対的に変化させて形成される。このようにして、第1障壁層15と量子ドット層17と第3障壁層19と中間層14と第2障壁層18とが積層されて積層部Sが形成される。
Next, as shown in FIG. 18, the
次に、図19に示すように、第2障壁層18上に中間層14が形成される。本実施形態では、中間層14は、厚さを25nmとして、AlGaAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 19, the
次に、図20に示すように、中間層14上に、第1障壁層15と量子ドット層17と第3障壁層19と中間層14とが積層された積層体が、複数形成された後、最も上方に位置する積層体上に、n型の極性を有するコンタクト層13bが形成される。積層体の数は、例えば10〜20とすることができる。
Next, as shown in FIG. 20, after a plurality of stacked bodies in which the
次に、パターニング法及びエッチング法を用いて、コンタクト層13bからコンタクト層13a上の中間層14までの部分が選択的に除去されて、コンタクト層13aが露出して、コンタクト層13a上に光半導体素子10のアレイが形成される。そして、露出したコンタクト層13aの部分に電極20aが形成され、コンタクト層13b上に電極20bが形成される。本実施形態では、電極20a、20bは、AuGe/Ni/Auの積層体により形成された。このようにして、図5に示す光センサ1が得られた。
Next, by using a patterning method and an etching method, a portion from the
次に、上述した光センサの製造方法の好ましい第2実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。 Next, a preferred second embodiment of the above-described method for manufacturing an optical sensor will be described below with reference to the drawings.
本実施形態の光センサの製造方法は、図10に示す光センサを製造する方法に関する。 The manufacturing method of the optical sensor of this embodiment relates to a method of manufacturing the optical sensor shown in FIG.
まず、図21に示すように、基板11上にバッファ層12及びn型の極性を有するコンタクト層13aが形成される。本実施形態では、基板11として、GaAs基板を用いた。本実施形態では、MBE法を用いて、各層を形成する。バッファ層12は、厚さを100nmとして、GaAsを用いて形成した。コンタクト層13aは、厚さを約250nmとし、Siをドーパントとして、GaAsを用いて形成した。
First, as shown in FIG. 21, the
次に、図22に示すように、コンタクト層13a上に中間層14が形成される。本実施形態では、中間層14は、厚さを約25nmとして、AlGaAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 22, the
次に、図23に示すように、中間層14上に第1障壁層15が形成される。本実施形態では、第1障壁層15は、平均厚さを約0.4nmとして、AlAsを用いて形成された。第1障壁層15は、MBE法を用いて、図2(A)に示すような装置を用いて形成される。
Next, as shown in FIG. 23, the
次に、図24に示すように、第1障壁層15上に複数の量子ドット16を有する量子ドット層17が形成される。量子ドット16は、例えば格子不整合を利用した自己組織化法を用いて形成される。本実施形態では、量子ドット16の直径は約10〜20nmであり、高さは約1〜2nmであり、面密度は約1011個/cm2であった。量子ドット16は、InAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 24, a
次に、図25に示すように、量子ドット層17上に第3障壁層19が形成される。第3障壁層19は、量子ドット16の側部及び上部を覆うように形成される。本実施形態では、第3障壁層19は、AlAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 25, the
次に、図26に示すように、第3障壁層19上に中間層14が形成される。本実施形態では、中間層14は、厚さを25nmとして、AlGaAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 26, the
次に、図27に示すように、中間層14上に第2障壁層18が形成される。第2障壁層18は、第2障壁層18の厚さの変化と、第1障壁層15の厚さの変化とが対応するように形成される。本実施形態では、第2障壁層18は、平均厚さを約0.3nmとして、AlAsを用いて形成された。第2障壁層18は、第1障壁層15と同様に、MBE法を用いて、図2(A)に示すような方法を用いて形成される。
Next, as shown in FIG. 27, the
次に、図28に示すように、第2障壁層18上に中間層14が形成される。本実施形態では、中間層14は、厚さを25nmとして、AlGaAsを用いて形成された。
Next, as shown in FIG. 28, the
次に、図29に示すように、中間層14上に、第1障壁層15と量子ドット層17と第3障壁層19と中間層14とが積層された積層体が、2つ形成される。
Next, as illustrated in FIG. 29, two stacked bodies in which the
本実施形態では、複数の第2障壁層18を配置する方法の一例として、3つの量子ドット層17毎に1つの第2障壁層18を配置することとした。そこで、3つの量子ドット層17毎に1つの第2障壁層18を含む積層部Sが含まれるように、複数の積層体が、更に形成される。積層体の数は、例えば3〜6とすることができる。
In the present embodiment, as an example of a method of arranging a plurality of second barrier layers 18, one
そして、図30に示すように、最も上方に位置する積層体上に、n型の極性を有するコンタクト層13bが形成される。本実施形態では、基板11上の各位置における複数の第2障壁層18の厚さを合計した厚さは、基板11上の対応する位置にある第1障壁層15の厚さに起因する暗電流の変化を打ち消して、暗電流が基板11上で均一になるように形成される。このようにして、第1障壁層15と量子ドット層17と第3障壁層19と中間層14と第2障壁層18とが積層されて積層部Sが形成される。
Then, as shown in FIG. 30, the
次に、パターニング法及びエッチング法を用いて、コンタクト層13bからコンタクト層13a上の中間層14までの部分が選択的に除去されて、コンタクト層13aが露出して、コンタクト層13a上に光半導体素子10のアレイが形成される。そして、露出したコンタクト層13aの部分に電極20aが形成され、コンタクト層13b上に電極20bが形成される。本実施形態では、電極20a、20bは、AuGe/Ni/Auの積層体により形成された。このようにして、図10に示す光センサ1が得られた。
Next, by using a patterning method and an etching method, a portion from the
本発明では、上述した実施形態の光センサ、光半導体素子及び光撮像装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。 In the present invention, the optical sensor, the optical semiconductor element, and the optical imaging device of the above-described embodiments can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. In addition, the configuration requirements of one embodiment can be applied to other embodiments as appropriate.
例えば、第2障壁層は、AlxGa1−xAsを用いて形成してもよく、中間層をAlyGa1−yAsを用いて形成してもよい。この場合、Al組成y(0≦y<1)に対して、x>yであれば、暗電流分布が改善されるように、組成や厚さを適宜変更してもよい。 For example, the second barrier layer may be formed using Al x Ga 1-x As, and the intermediate layer may be formed using Al y Ga 1-y As. In this case, with respect to the Al composition y (0 ≦ y <1), if x> y, the composition and thickness may be appropriately changed so that the dark current distribution is improved.
また、第1障壁層及び第3障壁層はAlzGa1−zAsを用いて形成してもよく、中間層をAlyGa1−yAsを用いて形成しもよい。この場合、Al組成y(0≦y<1)に対して、z>yとなるように適宜変更してもよい。 Further, the first barrier layer and the third barrier layer may be formed using Al z Ga 1-z As, and the intermediate layer may be formed using Al y Ga 1-y As. In this case, you may change suitably so that it may become z> y with respect to Al composition y (0 <= y <1).
また、コンタクト層のn型の極性を示すドーパントとしてSiを用いていたが、ドーパントはSi以外であってもよい。また、キャリアを電子としていたが、キャリアは正孔であってもかまわない。 Moreover, although Si was used as the dopant showing the n-type polarity of the contact layer, the dopant may be other than Si. Further, although the carrier is an electron, the carrier may be a hole.
更に、光センサの製造は、MOCVD法や、その他量子ドット構造を作製可能な方法であってもよい。 Furthermore, the optical sensor may be manufactured by an MOCVD method or other methods capable of producing a quantum dot structure.
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。 All examples and conditional words mentioned herein are intended for educational purposes to help the reader deepen and understand the inventions and concepts contributed by the inventor. All examples and conditional words mentioned herein are to be construed without limitation to such specifically stated examples and conditions. Also, such exemplary mechanisms in the specification are not related to showing the superiority and inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions or modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
1 光センサ
S 積層体
10 光半導体素子
11 基板
12 バッファ層
13a、13b コンタクト層
14 中間層
15 第1障壁層
16 量子ドット
17 量子ドット層
18 第2障壁層
19 第3障壁層
20a、20b 電極
21 バンプ
30 光撮像装置
31 駆動部
40 ノズル
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1障壁層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、前記第1障壁層よりも小さい複数の量子ドットを有する量子ドット層と、
前記量子ドット層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、前記第1障壁層よりも小さく且つ前記量子ドットよりも大きい中間層と、
前記中間層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが前記中間層よりも大きい第2障壁層と、
を有する複数の光半導体素子が、配置されたアレイを備え、
前記アレイ内において、各前記光半導体素子の前記第2障壁層の厚さは、前記第1障壁層の厚さが厚い部分では厚く、且つ、前記第1障壁層の厚さが薄い部分では薄くなっており、各前記光半導体素子の前記第2障壁層の厚さの変化と、前記第1障壁層の厚さの変化とが対応している、光センサ。 A first barrier layer;
A quantum dot layer disposed on the first barrier layer and having a plurality of quantum dots, the magnitude of potential energy for carriers being smaller than that of the first barrier layer;
An intermediate layer disposed on the quantum dot layer and having a magnitude of potential energy for carriers smaller than that of the first barrier layer and larger than that of the quantum dots;
A second barrier layer disposed on the intermediate layer and having a magnitude of potential energy for carriers larger than that of the intermediate layer;
A plurality of optical semiconductor elements comprising: an array disposed;
In the array, the thickness of the second barrier layer of each of the optical semiconductor elements is large at a portion where the thickness of the first barrier layer is thick and thin at a portion where the thickness of the first barrier layer is thin. An optical sensor in which a change in thickness of the second barrier layer of each optical semiconductor element corresponds to a change in thickness of the first barrier layer.
前記第1障壁層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、前記第1障壁層よりも小さい複数の量子ドットを有する量子ドット層と、
前記量子ドット層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、前記第1障壁層よりも小さく且つ前記量子ドットよりも大きい中間層と、
前記中間層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが前記中間層よりも大きい第2障壁層と、
を有し、
前記第2障壁層の厚さは、前記第1障壁層の厚さが厚い部分では厚く、且つ、前記第1障壁層の厚さが薄い部分では薄くなっており、前記第2障壁層の厚さの変化と、前記第1障壁層の厚さの変化とが対応している光半導体素子。 A first barrier layer;
A quantum dot layer disposed on the first barrier layer and having a plurality of quantum dots, the magnitude of potential energy for carriers being smaller than that of the first barrier layer;
An intermediate layer disposed on the quantum dot layer and having a magnitude of potential energy for carriers smaller than that of the first barrier layer and larger than that of the quantum dots;
A second barrier layer disposed on the intermediate layer and having a magnitude of potential energy for carriers larger than that of the intermediate layer;
Have
The thickness of the second barrier layer is thicker at a portion where the thickness of the first barrier layer is thicker, and thinner at a portion where the thickness of the first barrier layer is thinner. An optical semiconductor element in which a change in thickness corresponds to a change in thickness of the first barrier layer.
前記第1障壁層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、前記第1障壁層よりも小さい複数の量子ドットを有する量子ドット層と、
前記量子ドット層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが、前記第1障壁層よりも小さく且つ前記量子ドットよりも大きい中間層と、
前記中間層上に配置され、キャリアに対するポテンシャルエネルギーの大きさが前記中間層よりも大きい第2障壁層と、
を有する複数の光半導体素子が配置されたアレイを備え、
前記アレイ内において、各前記光半導体素子の前記第2障壁層の厚さは、前記第1障壁層の厚さが厚い部分では厚く、且つ、前記第1障壁層の厚さが薄い部分では薄くなっており、各前記光半導体素子の前記第2障壁層の厚さの変化と、前記第1障壁層の厚さの変化とが対応している、光センサと、
各光半導体素子が出力する電気信号を読み出す読み出し部と、
を備える光撮像装置。 A first barrier layer;
A quantum dot layer disposed on the first barrier layer and having a plurality of quantum dots, the magnitude of potential energy for carriers being smaller than that of the first barrier layer;
An intermediate layer disposed on the quantum dot layer and having a magnitude of potential energy for carriers smaller than that of the first barrier layer and larger than that of the quantum dots;
A second barrier layer disposed on the intermediate layer and having a magnitude of potential energy for carriers larger than that of the intermediate layer;
Comprising an array in which a plurality of optical semiconductor elements having
In the array, the thickness of the second barrier layer of each of the optical semiconductor elements is large at a portion where the thickness of the first barrier layer is thick and thin at a portion where the thickness of the first barrier layer is thin. An optical sensor in which a change in thickness of the second barrier layer of each optical semiconductor element corresponds to a change in thickness of the first barrier layer;
A readout unit for reading out an electrical signal output from each optical semiconductor element;
An optical imaging device comprising:
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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