JP7052362B2 - Manufacturing method of infrared detection element, infrared detector and infrared detection element - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線検出素子、赤外線検出器及び赤外線検出素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an infrared detection element, an infrared detector, and a method for manufacturing an infrared detection element.
赤外線検出素子は、熱検知や、二酸化炭素や大気汚染物質の濃度測定、人工衛星を用いたリモートセンシング等に用いられる。赤外線検出器の一つとして、量子ドットのサブバンド間遷移を利用した量子ドット型赤外線検出素子が知られている。 Infrared detection elements are used for heat detection, concentration measurement of carbon dioxide and air pollutants, remote sensing using artificial satellites, and the like. As one of the infrared detectors, a quantum dot type infrared detection element using a transition between subbands of quantum dots is known.
量子ドット型赤外線検出素子は、量子ドットの周囲を、量子ドットを構成する材料よりも大きなバンドギャップを持つ半導体で3次元的に囲まれた構造を有する。量子ドット内には、電子又は正孔が強く閉じ込められ、離散的なエネルギー準位が形成される。これらの準位のうち伝導帯の複数の電子サブバンド準位を利用し、サブバンド間エネルギー差に相当するエネルギーを持つ赤外線を検知する。 The quantum dot type infrared detection element has a structure in which the circumference of the quantum dot is three-dimensionally surrounded by a semiconductor having a band gap larger than that of the material constituting the quantum dot. Electrons or holes are strongly confined in the quantum dots, forming discrete energy levels. Among these levels, a plurality of electron subband levels in the conduction band are used to detect infrared rays having energy corresponding to the energy difference between the subbands.
特許文献1には、量子ドットと障壁層との間に中間層を備える量子ドット型赤外線検出器が記載されている。量子ドットからの電子の脱出を中間層により容易にすることで、赤外線検出器の感度が高まる。
上述の赤外線検出器は、光により励起した後の電子の流れやすさを改善している。一方で、入射した赤外線の吸収効率を充分高めることはできない。この問題は、量子ドット型赤外線検出器に限られず、量子井戸型の赤外線検出器や、光変換層がバルクである赤外線検出器についても同様である。つまり、入射した赤外線の吸収効率を高め、検出感度に優れた赤外線検出素子及び赤外線検出器を実現することは難しい。 The above-mentioned infrared detector improves the ease of electron flow after being excited by light. On the other hand, the absorption efficiency of the incident infrared rays cannot be sufficiently increased. This problem is not limited to the quantum dot type infrared detector, but also applies to the quantum well type infrared detector and the infrared detector having a bulk optical conversion layer. That is, it is difficult to realize an infrared detection element and an infrared detector that enhance the absorption efficiency of incident infrared rays and have excellent detection sensitivity.
本発明の目的は、上述の課題を鑑み、入射した赤外線の吸収効率を高め、検出感度に優れた赤外線検出素子及び赤外線検出器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an infrared detection element and an infrared detector which are excellent in detection sensitivity by increasing the absorption efficiency of incident infrared rays in view of the above-mentioned problems.
本発明の一態様にかかる赤外線検出素子は、光変換層を有する素子部と、前記素子部の入射面と反対側に位置する反射構造体と、を備え、前記反射構造体は、周期的な凹凸構造を有する半導体部と、前記半導体部を被覆する金属部とを備え、前記入射面と前記半導体構造体における反射面とは、検出波長の赤外線が共鳴する間隔で配置され、前記素子部内に光キャビティを形成している。 The infrared detection element according to one aspect of the present invention includes an element portion having a light conversion layer and a reflection structure located on the side opposite to the incident surface of the element portion, and the reflection structure is periodic. A semiconductor portion having a concavo-convex structure and a metal portion covering the semiconductor portion are provided, and the incident surface and the reflecting surface in the semiconductor structure are arranged at intervals where infrared rays having a detection wavelength resonate, and are arranged in the element portion. It forms an optical cavity.
本発明によれば、入射した赤外線の吸収効率を高め、検出感度に優れた赤外線検出素子及び赤外線検出器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an infrared detection element and an infrared detector which are excellent in detection sensitivity by increasing the absorption efficiency of incident infrared rays.
以下、本発明の実施形態である赤外線検出素子及び赤外線検出器について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, the infrared detection element and the infrared detector according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the featured parts may be enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the respective components may not be the same as the actual ones.
「第1実施形態」
図1は、第1実施形態にかかる赤外線検出素子の断面模式図である。図1に示す赤外線検出素子100は、素子部1と反射構造体2とを備える。以下、赤外線検出素子100の積層方向をz方向、赤外線検出素子100が延在する面内方向の一方向をx方向、x方向及びz方向に直交する方向をy方向と言う。
"First embodiment"
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the infrared detection element according to the first embodiment. The
図1に示す素子部1は、光変換層4と中間層5とを備える。素子部1の構成は、図1に示す構成に限られず、公知の半導体光検出器の素子構造を適宜選択できる。例えば、光変換層4は、量子ドット層でもよいし、量子井戸層でもよいし、単なるバルク層でもよい。また中間層5も公知の層を用いることができる。
The
反射構造体2は、素子部1の入射面1Aと反対側に位置する。反射構造体2は、半導体部6と金属部7とを備える。
The
半導体部6は、周期的な凹凸構造を有し、プラズモンアンテナ構造を形成する。プラズモンアンテナ構造は、界面に束縛されたプラズモンを光励起し、電場増強効果を高める。電場増強効果は、プラズモンによる光電磁場の時間的及び空間的な閉じ込め効果に由来する。電場増強効果は、光変換層4における光変換効率を高める。
The
周期的な凹凸構造の形状は特に問わない。例えば、x方向又はy方向に沿って凸部と凹部が配列するラインアンドスペース構造でもよいし、金属部7側に突出した柱状体が複数配列する海島構造でもよい。面内方向の電場増強効果を均一にする観点からは、凹凸構造は、柱状体が複数配列した海島構造であることが好ましい。
The shape of the periodic uneven structure is not particularly limited. For example, it may be a line-and-space structure in which convex portions and concave portions are arranged along the x direction or the y direction, or a sea-island structure in which a plurality of columnar bodies protruding toward the
図2は、周期的な凹凸構造を形成する一つの柱状体Pの近傍を拡大した模式図である。柱状体Pは半導体部6の一部である。図2は、柱状体Pの第1面6Aから第2面6Bまでを図示している。図2では理解を容易にするために図示していないが、第2面6Bにも金属部7が積層されている。
FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of one columnar body P forming a periodic uneven structure. The columnar body P is a part of the
図2では円柱状の柱状体Pを示した。柱状体Pは、円柱形状に限られない。例えば、柱状体Pの形状は、四角柱、三角柱、円錐、四角錐、三角錐、円錐台、四角錐台、三角錐台でもよい。また柱状体Pをz方向から見た際の形状がドーナッツ状の柱状体でもよい。製作の容易さの観点から鑑みると円柱状の周期構造体が良い。また同一面積内に多くの柱状体Pを配列し、xy面内方向の等方性を確保するためにも、柱状体Pの形状は円柱状であることが好ましい。配列する柱状体Pの数が増えると、凹凸の発生頻度が高まり、電場増強効果が向上する。配列方式は特に問わず、正方格子状、矩形格子状、原始矩形格子状、平行体格子状、歪斜格子状、斜方格子状、菱形格子状、中心矩形格子状、二等辺三角格子状、六角格子状、正三角格子状等いずれの配列構造でも良い。より多くの柱状体を並べるという観点では、最密充填構造である正三角格子状(六角格子状)に柱状体を配列すると良い。また、柱状体を正三角格子状に配列すると、周期構造が60°回転する毎に現れるので正方格子状等の直交格子状と比べた場合、より大きな電場増強効果が期待できる。 FIG. 2 shows a columnar columnar body P. The columnar body P is not limited to the cylindrical shape. For example, the shape of the columnar body P may be a quadrangular prism, a triangular prism, a cone, a quadrangular pyramid, a triangular pyramid, a frustum, a quadrangular pyramid, or a triangular pyramid. Further, the columnar body P may be a donut-shaped columnar body when viewed from the z direction. From the viewpoint of ease of manufacture, a columnar periodic structure is preferable. Further, in order to arrange many columnar bodies P in the same area and ensure isotropic properties in the xy in-plane direction, the shape of the columnar body P is preferably cylindrical. As the number of columnar bodies P to be arranged increases, the frequency of occurrence of unevenness increases, and the electric field enhancing effect is improved. Regardless of the arrangement method, square grid, rectangular grid, primitive rectangular grid, parallel grid, strained diagonal grid, diagonal grid, rhombic grid, central rectangular grid, isosceles triangular grid, hexagon Any arrangement structure such as a lattice shape or a regular triangular lattice shape may be used. From the viewpoint of arranging more columnar bodies, it is preferable to arrange the columnar bodies in a regular triangular lattice pattern (hexagonal lattice pattern), which is a close-packed structure. Further, when the columnar bodies are arranged in a regular triangular lattice shape, the periodic structure appears every 60 ° rotation, so that a larger electric field enhancing effect can be expected when compared with an orthogonal grid shape such as a square grid shape.
凹凸構造(柱状体P)の高さ、サイズ及び周期は、赤外線Lの検出波長によって調整する。検出波長が変わると、金属界面に束縛されるプラズモンの共鳴周波数も変わる。そのため、検出波長に合わせて凹凸構造の形状を設計することが好ましい。 The height, size and period of the uneven structure (columnar body P) are adjusted by the detection wavelength of the infrared ray L. When the detection wavelength changes, the resonance frequency of the plasmon bound to the metal interface also changes. Therefore, it is preferable to design the shape of the concave-convex structure according to the detection wavelength.
また図1に示す素子部1の入射面1Aから反射構造体2における反射面2Aまでの間隔は、検出波長の赤外線が共鳴する間隔であることが好ましい。
Further, the interval from the
ここで反射面2Aは、第1面2A1と第2面2A2と第3面A3とからなる。赤外線Lの反射に寄与するz方向に直交する面は、第1面2A1と第2面2A2である。入射面1Aと反射面2Aの間隔を議論する場合、反射面2Aは第1面2A1と第2面2A2のうち主要な面をさす。主要な面とは、z方向から平面視した際に占有する面積率が高い面である。ただし、実際の実効的な反射面は、周期構造を形成する構造体の屈折率、反射体2A1、2A2の反射率および面積等を考慮した反射面2A1と反射面2A2の間に存在する所定の反射面となる。
Here, the
また検出波長の赤外線が共鳴する間隔とは、検出波長の赤外線が素子部20内で開口端共鳴する間隔である。すなわち、素子部1の有効屈折率をn、検出波長の赤外線の波長をλ、入射面1Aから反射面2Aまでの距離をdとすると、d=m×λ/(2n)が成り立つ。ここで、mは任意の整数である。
The interval at which the infrared rays of the detection wavelength resonate is the interval at which the infrared rays of the detection wavelength resonate at the open end in the
入射面1Aと反射面2Aの間隔が当該間隔であると、素子部1内に光キャビティが形成される。素子部1内に光キャビティが形成されると、検出波長の赤外線が開口端共鳴により素子部1内に閉じ込められ、赤外線検出素子100の検出感度が高まる。
When the distance between the
素子部1の有効屈折率nはシミュレーションにより求められる。まず、赤外線の検出波長を設定し、シミュレーションにより開口端共鳴が最初に生じる入射面1Aから反射面2Aまでの距離dを求める。この距離を検出波長で割ったものを、実際の素子部1における有効屈折率とする。
The effective refractive index n of the
また、素子部1は主としてGaAs又はGaAsの組成の一部を変更したものにより構成される。そのため、各層の屈折率は大幅には変化しない。そのため、GaAsの屈折率を有効屈折率として用いてもよいし、素子部1を占める各物質の成分比で重み付けしたものを有効屈折率として用いてもよい。
Further, the
また図1に示すように、反射構造体2は金属部7を備える。金属部7は、光変換層4で変換されなかった赤外線Lを反射する。反射した赤外線Lは再び光変換層4に入射する。
Further, as shown in FIG. 1, the
金属部7は、赤外線Lを反射するものであれば特に問わない。例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属等を用いることができる。
The
金属部7の厚みは、特に問わない。金属部7側から赤外線Lは入射しないため、金属部7の厚さは厚くすることが可能であり、金属部7の反射率を高くすることができる。金属部の厚さは厚くすれば厚くするほど反射率を上げることが可能であり、その結果素子部1内に赤外線を閉じ込めることができる。例えば、10μm程度までの赤外線の波長領域で90%以上の反射率を実現するためには、半導体材料としてGaAs、金属材料として金を想定した場合、金属部の厚さを約200nm以上とすれば良い。
The thickness of the
また素子部1の入射面1A側には、反射構造体を設けてもよい。反射構造体を設けると、入射する赤外線Lの一部は反射してしまうが、素子部1内に赤外線を閉じ込めることができる。その結果、光キャビティによる効果がより高まり、赤外線検出素子100の検出感度がより高まる。
Further, a reflective structure may be provided on the
また素子部1の入射面1Aには低反射膜を備えても良い。例えば、低反射膜としてAR(Anti-Refrection)膜、モスアイ膜等を用いることができる。
Further, the
屈折率界面では反射が生じる。低反射膜は、入射面1Aの反射を抑制する。そのため、低反射膜を備えると、素子部1内に入射する赤外線Lの量が増える。赤外線検出素子100は、冷却された真空環境下で使用することが多い。そのため低反射膜は、低温の真空環境下で使用できるもの、例えば、金属薄膜、誘電体薄膜、半導体薄膜等が好ましい。
Reflection occurs at the index of refraction interface. The low reflection film suppresses the reflection of the
次いで、第1実施形態にかかる赤外線検出素子の製造方法について、図1を基に説明する。 Next, a method for manufacturing the infrared detection element according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
まず基板を準備する。基板には、例えば面方位が(001)面のGaAs基板等を用いることができる。そして基板上に光変換層4と中間層5からなる積層体を積層する。積層方法は公知の方法、例えば分子線エピキシャル成長法や、有機金属熱分解法等を用いることができる。またこれらの層の他に、緩衝層やコンタクト層等を積層してもよい。
First, prepare the board. As the substrate, for example, a GaAs substrate having a plane orientation of (001) can be used. Then, a laminate composed of the
次いで、素子部1の入射面1Aと反対側に反射構造体2を形成する。まず半導体部6を作製する。半導体部6は、素子部1の入射面1Aと反対側の面に凹凸構造を形成して作製する。凹凸構造はフォトリソグラフィー及びエッチングの技術を用いて形成する。
Next, the
図4は、反射構造体2の反射面2Aに形成した凹凸構造をz方向(図1)から平面視した図である。図4において点線で囲まれた領域が、読み出し基板の一つの金属電極に対応する部分であり、赤外線検出器(図11)の1画素に対応する。1画素内には複数の柱状体Pが紙面手前に向かって起立している。
FIG. 4 is a plan view of the uneven structure formed on the
反射面2Aは半導体により構成されている。半導体は材料の差によってエッチングの選択性を有する組み合わせが可能であり、半導体膜を加工する場合は、金属膜を加工する場合と異なり、エッチング速度の差を利用した選択エッチングの手法を用いることができる。また、結晶成長法により成膜された半導体表面の平坦性は金属膜の場合に比べて格段に良好である。そのため、原子層レベルで平坦な膜を得ることができ、膜厚の制御も分子線エピキシャル成長法や、有機金属熱分解法等を用いれば原子層レベルで制御可能である。
The
最後に、凹凸構造上に金属膜等を積層することで、金属部7が形成される。金属部7は、凹凸構造を完全に被覆する。
Finally, the
上述のように、第1実施形態にかかる赤外線検出素子には、反射面2Aにおける凹凸構造による電場増強効果と、素子部1のz方向の厚み制御による赤外線の閉じ込め効果とが、重畳して加わる。これらの効果が重畳すると、それぞれの効果を単独で用いた場合からは想定できないほど顕著に赤外線検出素子の検出感度が高まる。
As described above, the infrared detection element according to the first embodiment has an electric field enhancing effect due to the uneven structure on the reflecting
図3は、赤外線検出素子の検出感度の違いを示す図である。図3における検出感度は、シミュレーションによる数値計算結果である。 FIG. 3 is a diagram showing differences in the detection sensitivities of the infrared detection elements. The detection sensitivity in FIG. 3 is a numerical calculation result by simulation.
図3において実施例1にかかる赤外線検出素子は、プラズモンアンテナ構造及び光キャビティを有する。実施例1の赤外線検出素子の素子部1は、450nmのAlGaAs層(光変換層4、比誘電率10.3)とした。また実施例1の赤外線検出素子の反射構造体2は、GaAs(半導体部6、比誘電率10.5)とAu(金属部7)とからなるとした。また半導体部6は100nmのGaAs層から直径200nmの円柱状のGaAsが突出しているとした。
In FIG. 3, the infrared detection element according to the first embodiment has a plasmon antenna structure and an optical cavity. The
比較例1にかかる赤外線検出素子は、プラズモンアンテナ構造を有するが、光キャビティを有さない。また比較例2にかかる赤外線検出素子は、光キャビティを有するが、プラズモンアンテナ構造を有さない。なお図3における実施例1、比較例1及び比較例2の結果は、プラズモンアンテナ構造も光キャビティも有さない赤外線検出素子(比較例3)の検出感度により規格化されている。そのため、図3の横軸は赤外線の検出波長であり、縦軸は比較例3の検出感度を1とした際の検出比率である。 The infrared detection element according to Comparative Example 1 has a plasmon antenna structure but does not have an optical cavity. Further, the infrared detection element according to Comparative Example 2 has an optical cavity, but does not have a plasmon antenna structure. The results of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in FIG. 3 are standardized by the detection sensitivity of the infrared detection element (Comparative Example 3) having neither a plasmon antenna structure nor an optical cavity. Therefore, the horizontal axis of FIG. 3 is the infrared detection wavelength, and the vertical axis is the detection ratio when the detection sensitivity of Comparative Example 3 is 1.
図3に示すように、凹凸構造を設けた比較例1の赤外線検出器は、比較例3の赤外線検出器より検出性能が優れる。特に検出波長が10.4μmの場合は、比較例3の赤外線検出器の30倍程度の性能を示した。一方で、素子部1の厚みを設計した比較例2の赤外線検出器は、比較例3の赤外線検出器より僅かに検出性能が優れていた。
As shown in FIG. 3, the infrared detector of Comparative Example 1 provided with the concavo-convex structure is superior in detection performance to the infrared detector of Comparative Example 3. In particular, when the detection wavelength was 10.4 μm, the performance was about 30 times that of the infrared detector of Comparative Example 3. On the other hand, the infrared detector of Comparative Example 2 in which the thickness of the
これに対し、実施例1の赤外線検出器は、10.25μmの検出波長において比較例3の赤外線検出器の約200倍と言う極めて高い性能を示した。反射面における凹凸構造(プラズモンアンテナ構造)による電場増強効果と素子部の厚み制御(光キャビティ)による赤外線の閉じ込め効果とが組み合わさると、赤外線検出器の感度がこれほど高くなることは、それぞれの効果(比較例1、比較例2)からは想定できない。 On the other hand, the infrared detector of Example 1 showed extremely high performance of about 200 times that of the infrared detector of Comparative Example 3 at a detection wavelength of 10.25 μm. When the electric field enhancement effect by the uneven structure (plasmon antenna structure) on the reflective surface and the infrared confinement effect by the thickness control (optical cavity) of the element part are combined, the sensitivity of the infrared detector becomes so high, respectively. It cannot be assumed from the effects (Comparative Example 1, Comparative Example 2).
また第1実施形態にかかる赤外線検出素子は、赤外線Lが入射する入射面1Aの反対側にプラズモンアンテナ構造が形成されている。そのため金属部7は赤外線Lの入射を考慮する必要が無く、膜厚を自由に設定できる。金属部7の厚みを厚くすると、反射構造体2の反射率を高まる。その結果、光キャビティによる光閉じ込め効果をより高めることができ、赤外線検出素子の検出感度をより高めることができる。
Further, in the infrared detection element according to the first embodiment, a plasmon antenna structure is formed on the opposite side of the
また第1実施形態にかかる赤外線検出素子は、金属部7の外表面にプラズモンアンテナ構造が形成されている場合と比較して、プラズモンアンテナ構造と光変換層4との距離が近い。そのため、プラズモンアンテナ構造と光変換層4とを効率的に結合させることができる。その結果、プラズモンアンテナ構造による電場増強効果をより高めることができ、赤外線検出素子の検出感度をより高めることができる。
Further, in the infrared detection element according to the first embodiment, the distance between the plasmon antenna structure and the
以上、本実施形態について一例を基に説明したが、第1実施形態にかかる赤外線検出素子は、種々の変形・変更が可能である。 Although the present embodiment has been described above based on an example, the infrared detection element according to the first embodiment can be variously modified and changed.
図5は、第1実施形態にかかる赤外線検出素子の別の例の断面模式図である。図5(a)に示す赤外線検出素子100aは、半導体部6aが平坦層を有さず点在している点が、図1に示す赤外線検出素子100と異なる。図5(a)に示す赤外線検出素子100aにおける反射構造体2aもプラズモンアンテナ構造を有するため、電場増強効果を示す。また半導体部6aと素子部1を構成する半導体材料が異なると、一般的にはエッチング特性が異なる。例えば、素子部1の特定の溶媒に対するエッチング速度を半導体部6aのエッチング速度より遅くすると、素子部1でエッチングの進行を遅らせることができる。このエッチング速度の違いを利用すると、凹凸構造の作製がより容易になる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of another example of the infrared detection element according to the first embodiment. The
また図5(b)に示す赤外線検出素子100bは、半導体部6bが平坦な半導体層部6b1と凹凸構造を有する半導体突起部6b2に分かれ、それぞれ異なる半導体からなる。
半導体層部6b1はウエハの結晶成長時に予め挿入されており、エッチングストップ層と言われる。ある特定のエッチャントに対して半導体突起部6b2を構成する半導体はエッチングされるが、半導体層部6b1はほとんどエッチングされない。例えば、半導体突起部6b2を構成する半導体としてGaAs、半導体層部6b1を構成する半導体としてAlGaAs、エッチャントとしてアンモニア水と過酸化水素水1:20の混合液を使用することにより実現できる。このエッチング速度の違いを利用すると、凹凸構造の高さは、結晶成長法により作製された半導体突起部6b2の加工前の結晶成長層の厚さで決定される。この結晶成長層の厚さは原子レベルで制御することが可能であるため、凹凸構造の高さ制御性が各段に向上する。
Further, in the
The semiconductor layer portion 6b1 is inserted in advance at the time of crystal growth of the wafer, and is called an etching stop layer. The semiconductor constituting the semiconductor protrusion 6b2 is etched with respect to a specific etchant, but the semiconductor layer 6b1 is hardly etched. For example, it can be realized by using GaAs as the semiconductor constituting the semiconductor protrusion 6b2, AlGaAs as the semiconductor constituting the semiconductor layer 6b1, and a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide water 1:20 as the etchant. Utilizing this difference in etching rate, the height of the uneven structure is determined by the thickness of the crystal growth layer of the semiconductor protrusion 6b2 produced by the crystal growth method before processing. Since the thickness of this crystal growth layer can be controlled at the atomic level, the height controllability of the uneven structure is further improved.
「第2実施形態」
図6は、第2実施形態にかかる赤外線検出素子101の断面模式図である。第2実施形態にかかる赤外線検出素子101は素子部20の光変換層10が量子ナノ構造を含む点が、第1実施形態にかかる赤外線検出素子100と異なる。量子ナノ構造とは、nmサイズの構造体を基本単位とする構造であり、一例をあげれば、量子ドット、量子細線、量子井戸等が挙げられる。図6に示すように、赤外線検出素子101は、素子部20と、反射構造体30と、低反射膜40とを備える。
"Second embodiment"
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
反射構造体30の反射面21bには、周期的な凹凸構造が形成されている。反射面21bは、入射面20a側の第1面21b1と、金属部22側の第2面21b2と、これらを繋ぐ側面21b3により構成されている。反射構造体30は、周期的な凹凸構造を有し、プラズモンアンテナ構造を形成する。プラズモンアンテナ構造は、界面に束縛されたプラズモンを光励起し、電場増強効果を高める。
A periodic uneven structure is formed on the
素子部20は、基板19と、中間層11と、光変換層10とを備える。中間層11及び光変換層10はz方向に交互に積層されている。中間層11及び光変換層10は単層でもよいが、複数層積層されていることが好ましい。光変換層10を複数積層することで、入射する赤外線Lの吸収効率を高めることができる。光変換層10の積層回数は10層以上であることが好ましい。
The
基板19は、xy面内方向に延在している。光変換層10と中間層11からなる積層体の支持体として機能する。基板19により各積層体を支持することで、赤外線検出素子101のハンドリング性が高まる。基板19には、III-V族半導体化合物を用いることができる。例えば、GaAs等を用いることができる。
The
光変換層10は、量子ナノ構造を有する。量子ナノ構造としては、量子ドット構造、量子井戸構造を用いることができる。図6に示す光変換層10は、量子ドット10Aを複数備える。量子ドット10Aの密度、形状等は、光変換層10毎に異なっていてもよい。例えば、第1の光変換層における量子ドットの形状と、その他の光変換層における量子ドットの形状とが異なっていてもよい。量子ドット10Aには、例えば、InAs、InxGa1-xAs等を用いることができる。
The
次いで、第2実施形態にかかる赤外線検出素子の製造方法について、図7を基に説明する。 Next, a method for manufacturing the infrared detection element according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 7.
基板19上に光変換層10と中間層11からなる積層体を積層する(図7(a)参照)。積層方法及び光変換層10に量子ナノ構造を設ける方法は公知の方法を用いることができる。
A laminate composed of the
例えば、基板19として、面方位が(001)面のGaAs基板を用意する。この基板を分子線エピタキシャル(MBE)装置内へ導入する。そして固体Asを加熱し昇華させることにより得られるAs4分子線を基板19に照射しながら、基板19の温度を600℃まで上昇させる。ここではAsの蒸発源としてAs4分子線を使用したが、As2分子線を使用しても構わない。その場合、成長条件は多少変化する。以後、As4分子線を用いた例について説明し、As4分子線を単に「As」と記す。この処理により基板19表面の自然酸化膜が除去される。その後、580℃程度の基板温度で、Gaを供給することにより基板と同じGaAsから構成されるi型緩衝層23を300nm程度積層する。この積層体の結晶成長においては、すべての結晶成長を、Asを照射した状態のAs雰囲気中(Asを過剰に供給した状態)で行う。
For example, as the
次いで、厚さが300nm程度で、Si濃度が2×1018cm-3程度のGaAsで構成される下部コンタクト層24と、厚さ70nmでGaAsのi型障壁層25を順次積層する。
Next, the
その後、基板温度を490℃程度まで低下させ、名目上の厚さが2~3原子層程度相当分のInをAs雰囲気中で供給する。ここで、「名目の厚さが2~3原子層」とは、基板表面で再蒸発する成分も含めた数値であり、実際の平均的な厚さはこの値よりも小さくなる場合が多い。 After that, the substrate temperature is lowered to about 490 ° C., and In in a nominal thickness equivalent to about 2 to 3 atomic layers is supplied in the As atmosphere. Here, the "nominal thickness of 2 to 3 atomic layers" is a numerical value including a component that re-evaporates on the surface of the substrate, and the actual average thickness is often smaller than this value.
格子定数の違いから発生する歪みにより、InAsは三次元島状に成長する。これはSK(Stranski-Krastanov)モード成長と呼ばれる様式であり、この手法により量子ドット10Aが形成される。光変換層10内には、量子ドット10Aが平面内に複数並ぶ。量子ドット10Aの高さ、サイズ、密度等は、成長温度、成長速度、原料の供給量等で調整できる。例えば、典型的な量子ドット10Aの大きさとしては、直径約30nm~50nm、高さ約2~8nm程度である。また典型的な量子ドット10Aの1cm2当たりの面密度は5×1010個程度である。
InAs grows in a three-dimensional island shape due to the strain generated by the difference in lattice constant. This is a mode called SK (Stranski-Krastanov) mode growth, in which
続いて、Inの供給を停止してGaをAs雰囲気中で供給し、GaAs層を成長する。このGaAs層が中間層(i型障壁層)11に対応する。例えば、中間層11の厚さは50nm程度である。
Subsequently, the supply of In is stopped and Ga is supplied in the As atmosphere to grow the GaAs layer. This GaAs layer corresponds to the intermediate layer (i-type barrier layer) 11. For example, the thickness of the
この工程を繰り返すことで、光変換層10と中間層11の積層体が得られる。そして、積層体上に、上部コンタクト層26を堆積させる。上部コンタクト層26は、厚さが100nm程度で、Si濃度が2×1018cm-3程度のGaAsで構成される。
By repeating this step, a laminated body of the
次いで、上部コンタクト層26に凹凸構造を形成し、半導体部21を作製する(図7(b))。凹凸構造は、フォトリソグラフィー等の方法で作製する。このとき凹凸構造の周期は、検出する赤外線波長に合わせて適宜設定する。
Next, a concavo-convex structure is formed on the
そして、得られた積層体の一部を選択的にエッチングする。選択的なエッチングは、図4に示す柱状体Pが形成されていない部分に沿って行い、紫外線フォトリソグラフィーを行った後に、ドライエッチング又はウェットエッチングにより行う。 Then, a part of the obtained laminate is selectively etched. The selective etching is performed along the portion where the columnar body P shown in FIG. 4 is not formed, and after performing ultraviolet photolithography, it is performed by dry etching or wet etching.
エッチング処理がなされたそれぞれの積層体上に金属膜を形成する。金属膜は半導体部21を被覆して、金属部22となる。金属部22の厚さは厚くしても良い。凹凸周期構造は半導体部21に、言い換えれば、金属部22の光変換層10側に形成されているので、いくら厚膜化を行っても凹凸周期構造と光変換層との光結合を妨げることなく厚膜化することが可能である。その結果、金属膜22を厚膜化することにより、より高い反射率が達成でき、より高い赤外線の閉じ込めを実現できる。
A metal film is formed on each of the etched layers. The metal film covers the
上記製造方法では、i型障壁層としてGaAsを用いたが、AlGaAsを代替として用いても構わない。AlGaAsはGaAsよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、量子ドット型赤外線検出器の検出波長を短く(言い換えれば、光のエネルギーを大きく)することが可能となる。 In the above manufacturing method, GaAs was used as the i-type barrier layer, but AlGaAs may be used as an alternative. Since AlGaAs has a larger bandgap energy than GaAs, it is possible to shorten the detection wavelength of the quantum dot infrared detector (in other words, increase the energy of light).
ただし、Al組成が大きいと、結晶特性が劣化する恐れがある。Alは活性であるため、InやGaと比べてコンタミネーションに弱い。また、含有量が多くなると成長表面が荒れる傾向がある。よって、Al組成比は0.4以下程度にしておくことが望ましい。 However, if the Al composition is large, the crystal characteristics may deteriorate. Since Al is active, it is more susceptible to contamination than In and Ga. Moreover, when the content is high, the growth surface tends to be rough. Therefore, it is desirable that the Al composition ratio is about 0.4 or less.
また、量子ドット10Aやその周辺構造を分子線エピタキシャル法によって形成しているが、この方法に限定されるものではなく、有機金属熱分解法等の他の結晶成長法を用いても良い。
Further, although the
また、結晶成長用の基板にとしてGaAsを用いているが、これをInPとしても良く、この場合に、この場合には障壁層としてInPと格子整合するようなInGaAlAsで構成されていても良い。 Further, although GaAs is used as the substrate for crystal growth, this may be used as InP, and in this case, the barrier layer may be composed of InGaAlAs that is lattice-matched with InP.
量子ナノ構造を有する光変換層10は、変換できる赤外線の波長が狭帯域である。また量子ナノ構造を構成する材料の組成、構造を変更することで、変換できる赤外線の波長を選択、制御することができる。狭帯域性、波長選択性および波長制御性に優れる量子ナノ構造を有する光変換層10の吸収波長と、プラズモンアンテナ構造及び光キャビティによる共振ピーク波長とを一致させると、両者の相互作用により電場増強効果及び光閉じ込め効果をより効果的に得られる。
The
また量子ナノ構造を有する光変換層10の比検出能(感度)が低下する波長領域の受光感度をプラズモンアンテナ構造及び光キャビティ構造により補ってもよい。このように、量子ナノ構造を有する光変換層10の比検出能(感度)が高い波長領域と、プラズモンアンテナ構造及び光キャビティ構造により受光感度を増加できる波長領域とをずらすことで、複数の受光感度ピーク波長を隣接させることが可能であり、赤外線検出素子101が高い検出感度を示す波長領域を実効的に広帯域化することができる。
Further, the light receiving sensitivity in the wavelength region where the specific detection ability (sensitivity) of the
「第3実施形態」
第3実施形態にかかる赤外線検出素子の構成は、図6に示す第2実施形態にかかる赤外線検出素子101と同様である。一方で、量子ドット10Aの感度スペクトルのピーク波長が長波長赤外線領域である点が、第2実施形態にかかる赤外線検出素子101と異なる。第2実施形態にかかる赤外線検出素子101と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
"Third embodiment"
The configuration of the infrared detection element according to the third embodiment is the same as that of the
図8は、第3実施形態にかかる赤外線検出素子の素子部20の要部を拡大した断面模式図である。図8は、一つの量子ドット10A近傍を拡大している。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional schematic view of a main part of the
図8に示すように、光変換層10は、下部バリア層15と、下地層14と、量子ドット層12と、量子井戸層13と、キャップ層16と、上部バリア層17とを備える。
As shown in FIG. 8, the
量子ドット層12は、素子部20に注入された電子を捕捉する。図9は、赤外線検出素子の伝導帯構造を模式的に示した図である。
The
量子ドット10Aの感度スペクトルのピーク波長が長いと、半導体部6がプラズモンアンテナ構造を形成するために必要な周期的な凹凸構造のサイズを大きくすることができる。例えば、赤外線検出素子の感度スペクトルが3~5μmの場合は、凹凸構造は1μm程度の間隔で設ける必要がある。一方で、赤外線検出素子の感度スペクトルが長波長赤外線領域まで長波長化する場合は、凹凸構造の周期間隔を数μm程度まで広げることができる。
When the peak wavelength of the sensitivity spectrum of the
凹凸構造の間隔が広がるとフォトリソグラフィー等による凹凸構造の作製が容易になる。フォトリソグラフィー法で最も簡便なコンタクト露光(密着露光)を行う場合、パターンのサイズの限界は、約2μm程度である。赤外線検出素子のピーク波長が5μm程度以下と短い場合、半導体層の屈折率が概ね3.0前後であることを考慮すると、周期構造の間隔が2μm以下となってしまう。つまり、周期構造をコンタクト露光法により作製することが困難になる。 When the interval between the uneven structures is widened, it becomes easy to produce the uneven structure by photolithography or the like. When the simplest contact exposure (contact exposure) is performed by the photolithography method, the limit of the pattern size is about 2 μm. When the peak wavelength of the infrared detection element is as short as about 5 μm or less, the interval of the periodic structure becomes 2 μm or less considering that the refractive index of the semiconductor layer is about 3.0. That is, it becomes difficult to fabricate the periodic structure by the contact exposure method.
これに対し、赤外線検出素子の感度スペクトルが6μm以上であると周期構造の間隔が2μmを越え、コンタクト露光法を用いて容易に作製できる。更に、赤外線検出素子の感度スペクトルがより長波長の赤外線領域である概ね8~14μm帯の場合、凹凸周期構造の間隔を数μm(3~4μm)程度まで広げることができる。そのため、複数の周期構造の凹凸構造を組み合わせることもできる。 On the other hand, when the sensitivity spectrum of the infrared detection element is 6 μm or more, the interval of the periodic structure exceeds 2 μm, and it can be easily produced by using the contact exposure method. Further, when the sensitivity spectrum of the infrared detection element is in the infrared region of a longer wavelength of about 8 to 14 μm, the interval of the uneven periodic structure can be widened to about several μm (3 to 4 μm). Therefore, it is possible to combine a plurality of concavo-convex structures having a periodic structure.
例えば、図10に示すように、周期間隔が広い第1周期構造(図10(a))と、周期間隔が狭い第2周期構造(図10(b))と、を組み合わせた第3周期構造(図10(c))の凹凸構造を作製することもできる。赤外線検出素子の感度スペクトルピーク波長が長くなれば、それに対応して凹凸周期構造も大きくなるのでより効果が期待できる。 For example, as shown in FIG. 10, a third periodic structure in which a first periodic structure having a wide periodic interval (FIG. 10 (a)) and a second periodic structure having a narrow periodic interval (FIG. 10 (b)) are combined. The uneven structure shown in FIG. 10 (c) can also be produced. The longer the sensitivity spectrum peak wavelength of the infrared detection element, the larger the uneven period structure correspondingly, so that more effect can be expected.
長波長赤外線領域、特に8~14μm帯の波長では大気による赤外線の吸収が少ない。これらの波長にピーク感度を有する赤外線検出素子に、対応する波長で共振するプラズモン構造を導入することにより発現する電場増強効果を利用することにより、より高感度な赤外線センシングが実現できる。この8~14μm帯の波長は、地表の表面温度を計測するのに重要な波長であり、火山活動、海流の状況、地質等の有益な情報を得ることができ、赤外線探査に有用な赤外線検出素子を提供することができる。 In the long wavelength infrared region, especially in the wavelength band of 8 to 14 μm, the absorption of infrared rays by the atmosphere is small. Higher sensitivity infrared sensing can be realized by utilizing the electric field enhancing effect developed by introducing a plasmon structure that resonates at the corresponding wavelength into the infrared detection element having peak sensitivity at these wavelengths. This wavelength in the 8 to 14 μm band is an important wavelength for measuring the surface temperature of the earth's surface, and it is possible to obtain useful information such as volcanic activity, ocean current conditions, and geology, and infrared detection useful for infrared exploration. The element can be provided.
長波長赤外線領域で実現される量子ドットセンサの一例について具体的に説明する。図8に長波長赤外線検出素子を実現するための量子ドットの構造を示す。以下に示す構造パラメータを有する量子ドット構造に、対応する凹凸周期を有するプラズモン構造を付加することにより、赤外線感度スペクトルのピーク波長が6μm以上の高感度量子ドットセンサが実現できる。尚、対応する凹凸周期を有するプラズモン構造に関しては第1実施形態および第2実施形態と同様であり、記述を省略する。 An example of a quantum dot sensor realized in the long wavelength infrared region will be specifically described. FIG. 8 shows the structure of quantum dots for realizing a long wavelength infrared detection element. By adding a plasmon structure having a corresponding uneven period to the quantum dot structure having the structural parameters shown below, a high-sensitivity quantum dot sensor having a peak wavelength of 6 μm or more in the infrared sensitivity spectrum can be realized. The plasmon structure having the corresponding uneven period is the same as that of the first embodiment and the second embodiment, and the description thereof will be omitted.
図8に示す量子ドット層12における量子ドット10Aは、InGaAsから成る。InGaAsを用いた量子ドットは図9に示す様にInAsを用いた量子ドットと比較して最小エネルギーE1が高い。そのため量子ドット10Aは、基底状態u1しかとらない。
The
ここで、InGaAsにおけるIn組成比xは、一例として0.53とした。この値は一例であり、所望の赤外線検出素子の感度スペクトルピーク波長に応じて他の構造パラメータを決定すれば異なる値をとることもできる。 Here, the In composition ratio x in InGaAs was set to 0.53 as an example. This value is an example, and different values can be taken by determining other structural parameters according to the sensitivity spectrum peak wavelength of the desired infrared detection element.
また量子ドット10Aの高さは一例として4.5nm、サイズは20~30nm程度とした。ここで量子ドット10Aのサイズとは、量子ドット10Aの積層方向の下面の平均長さを指す。量子ドット10Aのサイズや高さは、量子ドット層12の伝導帯構造を変化させる。例えば、量子ドット10Aのサイズや高さが大きすぎると、量子ドット層12内に捕捉される電子数が増える。捕捉される電子数が増すと、それぞれが相互作用を生じ、赤外線検出の感度が低下するおそれがある。
The height of the
また量子ドット10Aの積層方向の上面10aは、平坦化されている。複数の量子ドット10Aの高さが揃うと、それぞれの量子ドット10A中の準位E1(図9参照)が揃う。各量子ドット10Aにおける準位E1が一定になると、赤外線により遷移するエネルギー準位差ΔEが一定になる。赤外線検出素子は、量子ドット層12内の準位E1と励起状態の準位とのエネルギー準位差ΔEにより吸収波長が決定する。すなわち、特定の波長の赤外線に対する赤外線検出素子の感度が高まる。
Further, the
量子ドット層12には、複数個の量子ドット10Aが存在している。量子ドット層12における量子ドット10Aの密度は、5×1010個/cm2とした。赤外線吸収体である量子ドット10Aの数は吸収媒体の総体積を増加させるという観点からはより多い方が好ましい。一方で、量子ドット10Aの数が多くなりすぎると、隣接する量子ドット10A同士の距離が近くなりすぎ、互いに影響を及ぼしあう。その結果、量子ドット10Aの3次元閉じ込め効果が低下する。そのため、量子ドット10Aが所定の密度範囲で存在することで、赤外線Lの吸収効率が高まる。
A plurality of
また量子ドット10Aにはシリコン(Si)18が適宜ドープされている。量子ドット10AにSiをドープすると、キャリアとなる電子が増加する。赤外線検出素子は、電子の動きを光電流として読み出す。すなわち、キャリア数が増加すると、赤外線検出素子の検出感度が向上する。特に、後述する下部バリア層15及び上部バリア層17を設ける場合は、Siをドープすることが好ましい。これらのバリア層は、電子の流れを阻害する。そのため、赤外線検出素子内のキャリア数を増加させることで、検出感度の低下をより防ぐことができる。
Further, the
量子井戸層13は、量子ドット10Aの全体を被覆する。量子井戸層13が量子ドット10Aの上面10aを被覆すると、エネルギー準位において中間準位が設けられ、光電流が流れやすくなる。量子井戸層13は、量子ドット10AよりInの組成比xが低い物質を含む。例えば、In0.1Ga0.9As等を用いることができる。量子井戸層13のエネルギー準位は、キャップ層16と量子ドット層12の中間に位置する。つまり量子井戸層13は、束縛された電子が励起される際の中間準位として機能する。中間準位が存在すると、光電流が流れやすくなり、赤外線検出素子の感度が向上する。
The
量子井戸層13の厚みは、例えば量子ドット上部において1.5nm、量子ドット10Aが存在しない部分において6.0nmとする。量子井戸層13の幅が厚すぎると、量子ドット10Aによる量子閉じ込め効果が小さくなる。そのため、暗電流が増大し、赤外線検出素子の感度低下の原因となる。
The thickness of the
下部バリア層15は、量子ドット層12の積層方向の下方に位置する。下部バリア層15の伝導帯端は、基準となるGaAsのエネルギー準位よりエネルギー準位が高い。このような伝導帯オフセットを持つ物質としては、AlGaAsが挙げられる。より具体的には、Alの組成比が0.2であるAl0.2Ga0.8Asを用いることができる。
The
一方で上部バリア層17は、量子ドット層12の積層方向の上方に位置する。上部バリア層17の伝導帯端は、基準となるGaAsのエネルギー準位よりエネルギー準位が高い。上部バリア層17には、下部バリア層15と同様の物質を用いることができる。
On the other hand, the
量子ドット層12に束縛された電子は、下部バリア層15及び上部バリア層17をトンネル効果又は熱励起により通過する。換言すると、下部バリア層15及び上部バリア層17は電子の流れを阻害する。下部バリア層15及び上部バリア層17は、赤外線検出素子の暗電流を抑制する。
The electrons bound to the
下部バリア層15及び上部バリア層17の厚みは2nmとする。これらの厚みが厚すぎると、電子がこれらの障壁を通過することが難しくなる。つまり、赤外線検出素子の暗電流だけでなく、必要な光電流の流れも阻害するおそれがある。その結果、赤外線検出素子の感度の低下の原因となりうる。
The thickness of the
下地層14は、下部バリア層15と量子ドット層12の間に位置する。下地層14は、中間層11と同様にGaAsからなる。Alがドープされた下部バリア層15はAlを含有しているためGaAsに比べて成長表面が荒れる傾向があるため、その上には、高品質な量子ドット層12を積層するのが難しい。下地層14を設けることで、表面荒れを改善することができ量子ドット層12の結晶性が高まる。
The
またキャップ層16は、上部バリア層17と量子ドット層12の間に位置する。キャップ層16も中間層11と同様にGaAsからなる。下地層14及びキャップ層16のエネルギー準位は、量子ドット層12と下部バリア層15又は上部バリア層17の間に位置する。つまり下地層14及びキャップ層16は、束縛された電子が励起される際の中間準位として機能する。中間準位が存在すると、光電流が流れやすくなり、赤外線検出素子の感度が向上する。
Further, the
下地層14及びキャップ層16の厚みは、1.0nmとした。下地層14及びキャップ層16により形成される量子井戸の幅が厚すぎると、量子ドット10Aによる量子閉じ込め効果が小さくなる。そのため、暗電流が増大し、赤外線検出素子の感度低下の原因となる。
The thickness of the
光変換層10において赤外線L(図6参照)を吸収するのは、量子ドット層12である。そのため、必須の層は量子ドット層12である。一方で、その他の層も光吸収に大きな寄与を及ぼすため、赤外線検出素子は上述のその他の層も備えることが好ましい。
It is the
素子部20において光変換層10は、中間層11を介して積層されている。中間層11は、GaAsからなることが好ましい。中間層11の厚みは、50nmとした。
In the
以上の構造パラメータを有する量子ドット層12を用いることにより、感度スペクトルのピーク波長が約7.5μmの赤外線検出素子が実現できる。この赤外線検出素子に、第1実施形態及び第2実施形態と同様に、検出波長に対応する凹凸周期構造を具備する赤外線検出素子を作製すると、感度スペクトルピーク波長が6μm以上である高感度な赤外線検出素子が実現できる。尚、他の波長領域で動作する長波長赤外線センサを実現する場合は上記の構造パラメータを適宜変更すれば良い。
By using the
ここまで、赤外線検出素子の具体的な構成について説明した。次いで、赤外線検出素子の動作について図を用いて説明する。図6に示すように赤外線検出素子101に赤外線Lが入射する。入射した赤外線Lは、光変換層10で吸収される。光変換層10は、赤外線Lを吸収し、光電流を生み出す。発生した光電流は、外部に出力される。
So far, the specific configuration of the infrared detection element has been described. Next, the operation of the infrared detection element will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 6, infrared L is incident on the
光変換層10で吸収されなかった赤外線は、反射構造体30の反射面21bで反射する。反射した赤外線Lは再度、光変換層10で吸収される。反射面21bが凹凸構造であると、界面に束縛されたプラズモンを光励起し、電場増強効果が生じる。電場増強効果により赤外線の一部は捕捉され、光変換層10での光吸収効率が高まる。
The infrared rays that are not absorbed by the
反射面21bで反射後に入射面20aまで到達した赤外線の多くは、素子部20のz方向の厚みを制御しない場合は素子部20の外部に放出される。これに対し、素子部20のz方向の厚みを制御すると、検出波長の赤外線が開口端共鳴により素子部20内に閉じ込められる。素子部20内に閉じ込められた赤外線は、光変換層10で吸収される。すなわち、赤外線検出素子101の感度が高まる。
Most of the infrared rays that reach the
次いで、光変換層10で吸収された赤外線が光電流を発生させる過程について説明する。図9に示すように、量子ドット層12はエネルギー準位が最も低い。そのため、素子部20に注入された電子は、量子ドット層12に捕捉される。量子ドット層12に捕捉された電子は、赤外線L(図6参照)により励起される。励起された電子は、トンネル効果又は熱励起により下部バリア層15又は上部バリア層17を通過し、光電流を発生させる。
Next, a process in which the infrared rays absorbed by the
第3実施形態にかかる赤外線検出素子の製造方法は、第2実施形態にかかる赤外線検出素子と同様である。第2実施形態にかかる赤外線検出素子と同様の工程については説明を省き、図8において示す光変換層10の具体的な各層の積層工程についてのみ説明する。
The method for manufacturing the infrared detection element according to the third embodiment is the same as that for the infrared detection element according to the second embodiment. The same process as the infrared detection element according to the second embodiment will be omitted, and only the specific step of laminating each layer of the
厚み2nmのAlxGa1-xAs(X=0.2)で表記される下部バリア層15と、厚み1nmのGaAsからなる下地層14とを、中間層11上に順に積層する。
The
その後、基板19の温度を480℃前後まで低下させ、厚さが2~3原子層分に相当するInxGa1-xAs(X=0.53)を積層する。InxGa1-xAsはSKモード成長に従い三次元島状に成長し、量子ドット10Aとなる。量子ドット10Aには、Siをドープする。Siドープは、分子線エピタキシャル装置により量子ドット層12上にSi分子線を所定の時間照射することにより行う。
After that, the temperature of the
量子ドット10Aを作製した後には、フラッシングを行う。フラッシングとは、複数の量子ドット10Aの高さを揃えることをいう。フラッシングは、以下の手順で行う。まず量子ドット10Aを成長後、量子ドット10Aを構成する材料より蒸発しにくい材料(ここではIn組成が量子ドットより小さいInxGa1-xAs(X=0.1)。)からなる埋め込み層を、量子ドット10Aより低い所定の高さ(4.5nm)で、量子ドット10Aの周囲に形成する。その結果、量子ドット10Aは、埋め込み層内に頭頂部を露出した状態で埋め込まれる。
After producing the
基板19を加熱し、埋め込み層により被覆されなかった量子ドット10Aを蒸発させる。このような手順を経ることで、複数の量子ドット10Aの高さが揃う。量子ドット10A中に含まれるInは、Gaより昇華しやすい。そのため、加熱することで量子ドット10Aの頭頂部中に含まれるInの一部が昇華し、量子ドット10Aの上面が平坦化し、量子ドットの高さが揃う。
The
その後、平坦化された量子ドットの上部を覆うように所定の厚さ(残りの厚さ:1.5nm)の量子井戸層13、厚み1nm程度のGaAsからなるキャップ層16と、厚み2nmのAlxGa1-xAs(組成は下部バリア層と同じ)で表記される上部バリア層17と、を順に積層する。これにより光変換層10が形成される。
After that, a
上述のように、第3実施形態にかかる赤外線検出素子には、反射面21bにおける凹凸構造による電場増強効果と、素子部20のz方向の厚み制御による赤外線の閉じ込め効果とが、重畳して加わる。これらの効果が重畳すると、それぞれの効果を単独で用いた場合からは想定できないほど顕著に赤外線検出素子の検出感度が高まる。
As described above, the infrared detection element according to the third embodiment has an electric field enhancing effect due to the uneven structure of the
また第3実施形態にかかる赤外線検出素子は、感度スペクトルのピーク波長が長いため、プラズモンアンテナ構造を生み出す凹凸構造の自由度が高く、容易に周期構造が作製可能である。更に、感度スペクトルのピーク波長が8μm以上14μm以下である場合は、大気の窓の中の波長領域に感度スペクトルのピーク波長を有するため、大気の窓の中で特に高感度に赤外線を検出できる。また、一般的に化合物半導体量子ドットを利用した赤外線検出素子の受光感度は感度スペクトルのピーク波長が10μmより大きくなると検出する感度が大幅に低下する傾向がある。本実施形態の赤外線検出素子にはこの感度低下を補う効果もある。 Further, since the infrared detection element according to the third embodiment has a long peak wavelength of the sensitivity spectrum, the degree of freedom of the uneven structure that produces the plasmon antenna structure is high, and the periodic structure can be easily manufactured. Further, when the peak wavelength of the sensitivity spectrum is 8 μm or more and 14 μm or less, since the peak wavelength of the sensitivity spectrum is held in the wavelength region in the atmospheric window, infrared rays can be detected with particularly high sensitivity in the atmospheric window. Further, in general, the light receiving sensitivity of an infrared detection element using compound semiconductor quantum dots tends to be significantly reduced when the peak wavelength of the sensitivity spectrum is larger than 10 μm. The infrared detection element of the present embodiment also has an effect of compensating for this decrease in sensitivity.
「第4実施形態」
第4実施形態にかかる赤外線検出器は、第1実施形態~第3実施形態にかかる赤外線検出素子を複数備える。
"Fourth Embodiment"
The infrared detector according to the fourth embodiment includes a plurality of infrared detection elements according to the first to third embodiments.
図11は、第4実施形態にかかる赤外線検出器の斜視模式図である。図11に示すように、赤外線検出器200は、赤外線検出素子101と、読み出し基板102と、はんだバンプ103とを有する。
FIG. 11 is a schematic perspective view of the infrared detector according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 11, the
また図12は、第4実施形態にかかる赤外線検出器200の要部を拡大した断面模式図である。図12では、第2実施形態にかかる赤外線検出素子101を用いた場合を例に図示したが、第1実施形態又は第3実施形態にかかる赤外線検出素子を用いてもよい。
Further, FIG. 12 is an enlarged sectional schematic view of a main part of the
読み出し基板102は、複数の金属電極102Aを備える集積回路である。読み出し基板102は、赤外線検出素子101に対向する。読み出し基板102の複数の金属電極102Aは、赤外線検出素子101の反射構造体30とはんだバンプ103により接続されている。
The
次いで、第4実施形態にかかる赤外線検出器200の製造方法について、図13を基に説明する。まず赤外線検出素子101を作製するまでの工程は、図7に示す赤外線検出素子の製造方法と同一である。図13では赤外線検出素子101の一部を略して図示している。
Next, a method of manufacturing the
作製した赤外線検出素子101の周囲に誘電体層31を形成する。この際、赤外線検出素子101の最外層にあたる金属部22の上面は露出させる。そして、金属部22の露出面上に、後述する電界めっきのためのシードメタル層32を蒸着する(図13(a))。シードメタル層32は、例えばTi、Cu等を用いることができる。
A
次いで、シードメタル層32上にレジスト33を塗布する。レジスト33は、例えば15μm程度の厚みで成膜する。その後、積層体上部にあたる位置におけるレジスト33を除去し、金属メッキ層34を形成する(図13(b))。金属メッキ層34には、例えば、Ni、In等を用いることができる。
Next, the resist 33 is applied onto the
次いで、レジスト33及びレジスト33直下に存在するシードメタル層32を除去し、それぞれの赤外線素子の大きさにダイシングする(図13(c))。そして、金属メッキ層34を加熱により溶融させて、読み出し基板102とフリップチップボンディングする(図13(d))。最後に、各素子を保護するための樹脂35を、赤外線検出素子の周囲に充填し、赤外線検出器が得られる。
Next, the resist 33 and the
上述のように、第4実施形態にかかる赤外線検出器は、第1実施形態~第3実施形態にかかる赤外線検出素子を備える。したがって、第4実施形態にかかる赤外線検出器は、電場増強効果と赤外線の閉じ込め効果とを重畳して得ることができ、高い検出感度をもつ。 As described above, the infrared detector according to the fourth embodiment includes the infrared detection element according to the first to third embodiments. Therefore, the infrared detector according to the fourth embodiment can be obtained by superimposing the electric field enhancing effect and the infrared confinement effect, and has high detection sensitivity.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments and varies within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be transformed / changed.
1、20:素子部
2、30:反射構造体
4、10:光変換層
10A:量子ドット
5、11:中間層
6、21:半導体部
7、22:金属部
1A、20a:入射面
2A、21b:反射面
100、100a、100b、101:赤外線検出素子
P:柱状体
12:量子ドット層
13:量子井戸層
14:下地層
15:下部バリア層
16:キャップ層
17:上部バリア層
18:シリコン(Si)
19:基板
31:誘電体層
32:シードメタル層
33:レジスト
34:金属メッキ層
35:樹脂
40:低反射膜
102:読み出し基板
102A:金属電極
103:はんだバンプ
L:赤外線
P:柱状体
1, 20:
19: Substrate 31: Dielectric layer 32: Seed metal layer 33: Resist 34: Metal plating layer 35: Resin 40: Low reflection film 102:
Claims (9)
前記素子部の入射面と反対側に位置する反射構造体と、を備え、
前記反射構造体は、複数の柱状体が配列された周期的な凹凸構造を有する半導体部と、前記半導体部を被覆する金属部とを備え、
前記入射面と前記反射構造体における反射面とは、検出波長の赤外線が共鳴する間隔で配置され、前記素子部内に光キャビティを形成しており、
前記周期的な凹凸構造は、第1周期で配列した第1周期構造と、前記第1周期より間隔の狭い第2周期構造と、が組み合わされた第3周期構造を有する、赤外線検出素子。 An element unit having an optical conversion layer and
A reflection structure located on the opposite side of the incident surface of the element portion is provided.
The reflective structure includes a semiconductor portion having a periodic uneven structure in which a plurality of columnar bodies are arranged, and a metal portion that covers the semiconductor portion.
The incident surface and the reflecting surface in the reflecting structure are arranged at intervals at which infrared rays having a detection wavelength resonate, and an optical cavity is formed in the element portion.
The periodic uneven structure is an infrared detection element having a third periodic structure in which a first periodic structure arranged in the first cycle and a second periodic structure having a narrower interval than the first cycle are combined .
前記低反射膜は、前記入射面における反射を前記低反射膜が形成されていない場合より抑制する、請求項1~4のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。 A low-reflection film is further provided on the incident surface of the element portion.
The infrared detection element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the low-reflection film suppresses reflection on the incident surface more than when the low-reflection film is not formed .
感度スペクトルのピーク波長が6μm以上である、請求項6に記載の赤外線検出素子。 The quantum nanostructure comprises any selected from the group consisting of quantum dots, quantum wells and quantum wires.
The infrared detection element according to claim 6 , wherein the peak wavelength of the sensitivity spectrum is 6 μm or more.
前記赤外線検出素子の反射部と対向する読み出し基板と、
前記赤外線検出素子の前記反射部と前記読み出し基板とを繋ぐはんだバンプと、を備える赤外線検出器。 The infrared detection element according to any one of claims 1 to 8.
A readout board facing the reflecting portion of the infrared detection element,
An infrared detector comprising a solder bump connecting the reflecting portion of the infrared detection element and the readout substrate.
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