JP6402543B2 - 光センサ、光半導体素子及び光撮像装置 - Google Patents

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。

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。

図１は、従来例の光センサを示す断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２０１２−１９５３３３号公報 特開２０１３−０２１３７７号公報 特開２００９−６５１４１号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

従来例の光センサを示す断面図である。 （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り、（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。 暗電流と第１障壁層の厚さとの関係を示す図である。 （Ａ）は、ノズルと基板との位置関係を示す図であり、（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、（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。 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。 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。 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。 光半導体素子のバンド構造の例を示す図である。 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。 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。 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。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その１）である。である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その２）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その３）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その４）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その５）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その６）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その７）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その８）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第１実施形態を示す図（その９）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その１）である。である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その２）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その３）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その４）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その５）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その６）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その７）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その８）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その９）である。 本明細書に開示する光センサの製造方法の第２実施形態を示す図（その１０）である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｖ_０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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１０^１１個／ｃｍ^２であった。量子ドット１６は、ＩｎＡｓを用いて形成された。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１０^１１個／ｃｍ^２であった。量子ドット１６は、ＩｎＡｓを用いて形成された。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

例えば、第２障壁層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを用いて形成してもよく、中間層をＡｌ_ｙＧａ_１−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。

また、第１障壁層及び第３障壁層はＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓを用いて形成してもよく、中間層をＡｌ_ｙＧａ_１−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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 第１障壁層と、
   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。
2. 前記第２障壁層及び前記第１障壁層は同じ材料を用いて形成される請求項１に記載の光センサ。
3. 前記第２障壁層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、前記第１障壁層と同じである請求項１又は２に記載の光センサ。
4. 前記量子ドットの側部及び上部を覆い、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３障壁層を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の光センサ。
5. 前記第１障壁層と、前記量子ドット層と、前記中間層と、前記第２障壁層とが積層された積層部を複数備える請求項１〜４の何れか一項に記載の光センサ。
6. 第１障壁層と、
   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。
7. 第１障壁層と、
   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。

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