JP7052362B2 - Manufacturing method of infrared detection element, infrared detector and infrared detection element - Google Patents

Manufacturing method of infrared detection element, infrared detector and infrared detection element Download PDF

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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。 Patent Document 1 describes a quantum dot type infrared detector having an intermediate layer between the quantum dots and the barrier layer. By facilitating the escape of electrons from the quantum dots by the intermediate layer, the sensitivity of the infrared detector is increased.

特開２０１２－１０９４３４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-109434

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.

第１実施態様にかかる赤外線検出素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the infrared ray detection element which concerns on 1st Embodiment. 周期的な凹凸構造を形成する一つの柱状体の近傍を拡大した模式図である。It is a schematic diagram which enlarged the neighborhood of one columnar body which forms a periodic uneven structure. 比較例３における検出感度を基準とした際における実施例１、比較例１及び比較例２の赤外線検出器の検出感度を示したグラフである。It is a graph which showed the detection sensitivity of the infrared detector of Example 1, the comparative example 1 and the comparative example 2 when the detection sensitivity in the comparative example 3 is used as a reference. 素子部の反射面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。It is a figure which viewed the uneven structure formed on the reflective surface of an element part from the z direction (FIG. 1) in a plan view. 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。It is sectional drawing of another example of the infrared ray detection element which concerns on 1st Embodiment. 第２実施態様にかかる赤外線検出素子の断面模式図である。It is sectional drawing of the infrared ray detection element which concerns on 2nd Embodiment. 第２実施形態にかかる赤外線検出器の製造方法を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for explaining the manufacturing method of the infrared detector which concerns on 2nd Embodiment. 第３実施形態にかかる赤外線検出素子の素子部の要部を拡大した断面模式図である。It is a sectional schematic diagram which enlarged the main part of the element part of the infrared ray detection element which concerns on 3rd Embodiment. 第３実施形態にかかる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。It is a figure which showed schematically the conduction band structure of the infrared ray detection element which concerns on 3rd Embodiment. 周期的な凹凸構造の例を示した図である。It is a figure which showed the example of the periodic uneven structure. 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。It is a perspective schematic diagram of the infrared detector which concerns on 4th Embodiment. 第４実施形態にかかる赤外線検出器の断面模式図である。It is sectional drawing of the infrared detector which concerns on 4th Embodiment. 第４実施形態にかかる赤外線検出器の製造方法を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for explaining the manufacturing method of the infrared detector which concerns on 4th Embodiment.

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 infrared detection element 100 shown in FIG. 1 includes an element unit 1 and a reflection structure 2. Hereinafter, the stacking direction of the infrared detection element 100 is referred to as the z direction, one direction in the in-plane direction in which the infrared detection element 100 extends is referred to as the x direction, and the direction orthogonal to the x direction and the z direction is referred to as the y direction.

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 element unit 1 shown in FIG. 1 includes an optical conversion layer 4 and an intermediate layer 5. The configuration of the element unit 1 is not limited to the configuration shown in FIG. 1, and the element structure of a known semiconductor photodetector can be appropriately selected. For example, the optical conversion layer 4 may be a quantum dot layer, a quantum well layer, or a simple bulk layer. Further, a known layer can also be used for the intermediate layer 5.

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 reflection structure 2 is located on the opposite side of the incident surface 1A of the element unit 1. The reflective structure 2 includes a semiconductor portion 6 and a metal portion 7.

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 semiconductor portion 6 has a periodic uneven structure and forms a plasmon antenna structure. The plasmon antenna structure photoexcites the plasmons bound to the interface and enhances the electric field enhancing effect. The electric field enhancing effect is derived from the temporal and spatial confinement effect of the photoelectric magnetic field by plasmons. The electric field enhancing effect enhances the light conversion efficiency in the light conversion layer 4.

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 metal portion 7 are arranged. From the viewpoint of making the electric field enhancing effect in the in-plane direction uniform, the uneven structure is preferably a sea-island structure in which a plurality of columnar bodies are arranged.

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 semiconductor portion 6. FIG. 2 illustrates the first surface 6A to the second surface 6B of the columnar body P. Although not shown in FIG. 2 for ease of understanding, the metal portion 7 is also laminated on the second surface 6B.

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 incident surface 1A of the element unit 1 shown in FIG. 1 to the reflecting surface 2A of the reflecting structure 2 is preferably an interval at which infrared rays having a detection wavelength resonate.

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 reflective surface 2A is composed of a first surface 2A1, a second surface 2A2, and a third surface A3. The planes orthogonal to the z direction that contribute to the reflection of infrared rays L are the first plane 2A1 and the second plane 2A2. When discussing the distance between the incident surface 1A and the reflecting surface 2A, the reflecting surface 2A refers to the main surface of the first surface 2A1 and the second surface 2A2. The main surface is a surface that occupies a high area ratio when viewed in a plan view from the z direction. However, the actual effective reflective surface is a predetermined value existing between the reflective surface 2A1 and the reflective surface 2A2 in consideration of the refractive index of the structure forming the periodic structure, the reflectance and the area of the reflectors 2A1 and 2A2, and the like. It becomes a reflective surface.

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 element unit 20. That is, if the effective refractive index of the element unit 1 is n, the wavelength of infrared rays of the detection wavelength is λ, and the distance from the incident surface 1A to the reflecting surface 2A is d, d = m × λ / (2n) holds. Here, m is an arbitrary integer.

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 incident surface 1A and the reflecting surface 2A is the same, an optical cavity is formed in the element unit 1. When an optical cavity is formed in the element unit 1, infrared rays having a detection wavelength are confined in the element unit 1 by end-resonance, and the detection sensitivity of the infrared detection element 100 is increased.

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 element unit 1 is obtained by simulation. First, the infrared detection wavelength is set, and the distance d from the incident surface 1A to the reflecting surface 2A where the open end resonance first occurs is obtained by simulation. The value obtained by dividing this distance by the detection wavelength is defined as the effective refractive index in the actual element unit 1.

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 element unit 1 is mainly composed of GaAs or a partially modified GaAs composition. Therefore, the refractive index of each layer does not change significantly. Therefore, the refractive index of GaAs may be used as the effective refractive index, or the one weighted by the component ratio of each substance occupying the element unit 1 may be used as the effective refractive index.

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 reflective structure 2 includes a metal portion 7. The metal portion 7 reflects infrared rays L that have not been converted by the light conversion layer 4. The reflected infrared L is incident on the light conversion layer 4 again.

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 metal portion 7 is not particularly limited as long as it reflects infrared rays L. For example, metals such as gold, silver, copper, and aluminum can be used.

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 metal portion 7 is not particularly limited. Since the infrared ray L is not incident from the metal portion 7, the thickness of the metal portion 7 can be increased, and the reflectance of the metal portion 7 can be increased. The thicker the metal portion, the higher the reflectance, and as a result, infrared rays can be confined in the element portion 1. For example, in order to achieve a reflectance of 90% or more in the infrared wavelength region up to about 10 μm, assuming GaAs as the semiconductor material and gold as the metal material, the thickness of the metal part should be about 200 nm or more. good.

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 incident surface 1A side of the element unit 1. When the reflective structure is provided, a part of the incident infrared rays L is reflected, but the infrared rays can be confined in the element unit 1. As a result, the effect of the optical cavity is further enhanced, and the detection sensitivity of the infrared detection element 100 is further enhanced.

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 incident surface 1A of the element unit 1 may be provided with a low reflection film. For example, an AR (Anti-Reflection) film, a moth-eye film, or the like can be used as the low-reflection film.

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 incident surface 1A. Therefore, if a low-reflection film is provided, the amount of infrared rays L incident on the element unit 1 increases. The infrared detection element 100 is often used in a cooled vacuum environment. Therefore, the low-reflection film is preferably one that can be used in a low-temperature vacuum environment, for example, a metal thin film, a dielectric thin film, a semiconductor thin film, or the like.

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 optical conversion layer 4 and the intermediate layer 5 is laminated on the substrate. As the laminating method, a known method, for example, a molecular beam epitaxy method, an organometallic pyrolysis method, or the like can be used. In addition to these layers, a buffer layer, a contact layer, or the like may be laminated.

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 reflective structure 2 is formed on the side opposite to the incident surface 1A of the element unit 1. First, the semiconductor portion 6 is manufactured. The semiconductor portion 6 is manufactured by forming an uneven structure on the surface of the element portion 1 opposite to the incident surface 1A. The uneven structure is formed using photolithography and etching techniques.

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 reflective surface 2A of the reflective structure 2 from the z direction (FIG. 1). The region surrounded by the dotted line in FIG. 4 is a portion corresponding to one metal electrode of the readout substrate, and corresponds to one pixel of the infrared detector (FIG. 11). A plurality of columnar bodies P stand up toward the front of the paper in one pixel.

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 reflective surface 2A is made of a semiconductor. It is possible to combine semiconductors with etching selectivity depending on the material, and when processing a semiconductor film, it is possible to use a selective etching method that utilizes the difference in etching rate, unlike the case of processing a metal film. can. Further, the flatness of the surface of the semiconductor formed by the crystal growth method is remarkably better than that of the metal film. Therefore, a flat film can be obtained at the atomic layer level, and the film thickness can also be controlled at the atomic layer level by using a molecular beam epitaxy method, an organic metal pyrolysis method, or the like.

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 metal portion 7 is formed by laminating a metal film or the like on the uneven structure. The metal portion 7 completely covers the uneven structure.

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 surface 2A and an infrared confining effect due to the thickness control in the z direction of the element unit 1 in an overlapping manner. .. When these effects are superimposed, the detection sensitivity of the infrared detection element is significantly increased, which cannot be expected from the case where each effect is used alone.

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 element portion 1 of the infrared detection element of Example 1 was a 450 nm AlGaAs layer (light conversion layer 4, relative permittivity 10.3). Further, the reflective structure 2 of the infrared detection element of Example 1 is composed of GaAs (semiconductor portion 6, relative permittivity 10.5) and Au (metal portion 7). Further, it is assumed that the semiconductor portion 6 has a cylindrical GaAs having a diameter of 200 nm protruding from the GaAs layer having a diameter of 100 nm.

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 element portion 1 was designed was slightly superior in detection performance to the infrared detector of Comparative Example 3.

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 incident surface 1A on which the infrared ray L is incident. Therefore, it is not necessary to consider the incident of infrared rays L in the metal portion 7, and the film thickness can be freely set. Increasing the thickness of the metal portion 7 increases the reflectance of the reflective structure 2. As a result, the light confinement effect of the optical cavity can be further enhanced, and the detection sensitivity of the infrared detection element can be further enhanced.

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 optical conversion layer 4 is closer than in the case where the plasmon antenna structure is formed on the outer surface of the metal portion 7. Therefore, the plasmon antenna structure and the optical conversion layer 4 can be efficiently coupled. As a result, the electric field enhancing effect of the plasmon antenna structure can be further enhanced, and the detection sensitivity of the infrared detection element can be further enhanced.

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 infrared detection element 100a shown in FIG. 5A is different from the infrared detection element 100 shown in FIG. 1 in that the semiconductor portions 6a do not have a flat layer and are scattered. Since the reflection structure 2a in the infrared detection element 100a shown in FIG. 5A also has a plasmon antenna structure, it exhibits an electric field enhancing effect. Further, if the semiconductor materials constituting the semiconductor portion 6a and the element portion 1 are different, the etching characteristics are generally different. For example, if the etching rate of the element unit 1 for a specific solvent is slower than the etching rate of the semiconductor unit 6a, the progress of etching can be delayed in the element unit 1. By utilizing this difference in etching rate, it becomes easier to fabricate the uneven structure.

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 infrared detection element 100b shown in FIG. 5B, the semiconductor portion 6b is divided into a flat semiconductor layer portion 6b1 and a semiconductor projection portion 6b2 having a concavo-convex structure, each of which is composed of different semiconductors.
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 infrared detection element 101 according to the second embodiment. The infrared detection element 101 according to the second embodiment is different from the infrared detection element 100 according to the first embodiment in that the optical conversion layer 10 of the element unit 20 includes a quantum nanostructure. The quantum nanostructure is a structure whose basic unit is an nm-sized structure, and examples thereof include quantum dots, quantum wires, and quantum wells. As shown in FIG. 6, the infrared detection element 101 includes an element unit 20, a reflection structure 30, and a low reflection film 40.

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 reflective surface 21b of the reflective structure 30. The reflective surface 21b is composed of a first surface 21b1 on the incident surface 20a side, a second surface 21b2 on the metal portion 22 side, and a side surface 21b3 connecting them. The reflection structure 30 has a periodic uneven structure and forms a plasmon antenna structure. The plasmon antenna structure photoexcites the plasmons bound to the interface and enhances the electric field enhancing effect.

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 element unit 20 includes a substrate 19, an intermediate layer 11, and an optical conversion layer 10. The intermediate layer 11 and the optical conversion layer 10 are alternately laminated in the z direction. The intermediate layer 11 and the optical conversion layer 10 may be a single layer, but it is preferable that a plurality of layers are laminated. By stacking a plurality of light conversion layers 10, the absorption efficiency of the incident infrared rays L can be improved. The number of times the optical conversion layer 10 is laminated is preferably 10 or more.

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 substrate 19 extends inward in the xy plane. It functions as a support for a laminated body composed of a light conversion layer 10 and an intermediate layer 11. By supporting each laminated body by the substrate 19, the handleability of the infrared detection element 101 is improved. A group III-V semiconductor compound can be used for the substrate 19. For example, GaAs or the like can be used.

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 optical conversion layer 10 has a quantum nanostructure. As the quantum nanostructure, a quantum dot structure or a quantum well structure can be used. The optical conversion layer 10 shown in FIG. 6 includes a plurality of quantum dots 10A. The density, shape, and the like of the quantum dots 10A may be different for each optical conversion layer 10. For example, the shape of the quantum dot in the first optical conversion layer may be different from the shape of the quantum dot in the other optical conversion layer. For the quantum dots 10A, for example, InAs, In x Ga 1-x As, or the like can be used.

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 optical conversion layer 10 and the intermediate layer 11 is laminated on the substrate 19 (see FIG. 7A). A known method can be used as the laminating method and the method of providing the quantum nanostructure on the optical conversion layer 10.

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 substrate 19, a GaAs substrate having a plane orientation of (001) is prepared. This substrate is introduced into a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. Then, the temperature of the substrate 19 is raised to 600 ° C. while irradiating the substrate 19 with the As4 molecular beam obtained by heating and sublimating the solid As. Here, As4 molecular beam is used as the evaporation source of As, but As2 molecular beam may be used. In that case, the growth conditions change slightly. Hereinafter, an example using an As4 molecular beam will be described, and the As4 molecular beam is simply referred to as “As”. By this treatment, the natural oxide film on the surface of the substrate 19 is removed. Then, by supplying Ga at a substrate temperature of about 580 ° C., an i-type buffer layer 23 made of the same GaAs as the substrate is laminated by about 300 nm. In the crystal growth of this laminated body, all crystal growth is performed in the As atmosphere in the state of being irradiated with As (a state in which As is excessively supplied).

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 lower contact layer 24 having a thickness of about 300 nm and having a Si concentration of about 2 × 10 18 cm -3 and the i-type barrier layer 25 having a thickness of 70 nm and having a GaAs i-type barrier layer 25 are sequentially laminated.

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 quantum dots 10A are formed. A plurality of quantum dots 10A are arranged in a plane in the optical conversion layer 10. The height, size, density, etc. of the quantum dots 10A can be adjusted by the growth temperature, growth rate, supply amount of raw materials, and the like. For example, the size of a typical quantum dot 10A is about 30 nm to 50 nm in diameter and about 2 to 8 nm in height. Further, the surface density of a typical quantum dot 10A per 1 cm 2 is about 5 × 10 10 .

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 intermediate layer 11 is about 50 nm.

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 optical conversion layer 10 and the intermediate layer 11 can be obtained. Then, the upper contact layer 26 is deposited on the laminated body. The upper contact layer 26 is made of GaAs having a thickness of about 100 nm and a Si concentration of about 2 × 10 18 cm -3 .

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 upper contact layer 26 to manufacture the semiconductor portion 21 (FIG. 7 (b)). The uneven structure is produced by a method such as photolithography. At this time, the period of the uneven structure is appropriately set according to the infrared wavelength to be detected.

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 semiconductor portion 21 and becomes the metal portion 22. The thickness of the metal portion 22 may be increased. Since the concavo-convex periodic structure is formed on the semiconductor portion 21, in other words, on the optical conversion layer 10 side of the metal portion 22, no matter how thick the film is, the optical coupling between the concavo-convex periodic structure and the optical conversion layer is hindered. It is possible to thicken the film without using it. As a result, by thickening the metal film 22, higher reflectance can be achieved and higher infrared confinement can be realized.

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 quantum dot 10A and its peripheral structure are formed by the molecular beam epitaxial method, the method is not limited to this method, and other crystal growth methods such as an organometallic thermal decomposition method may be used.

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 optical conversion layer 10 having a quantum nanostructure has a narrow band of infrared rays that can be converted. Further, by changing the composition and structure of the materials constituting the quantum nanostructure, it is possible to select and control the wavelength of infrared rays that can be converted. When the absorption wavelength of the optical conversion layer 10 having a quantum nanostructure excellent in narrow band, wavelength selectivity and wavelength controllability is matched with the resonance peak wavelength due to the plasmon antenna structure and the optical cavity, the electric field is enhanced by the interaction between the two. The effect and the light confinement effect can be obtained more effectively.

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 optical conversion layer 10 having the quantum nanostructure is lowered may be supplemented by the plasmon antenna structure and the optical cavity structure. In this way, by shifting the wavelength region where the specific detection ability (sensitivity) of the optical conversion layer 10 having the quantum nanostructure is high and the wavelength region where the light receiving sensitivity can be increased by the plasmon antenna structure and the optical cavity structure, a plurality of light receiving rays are received. The sensitivity peak wavelengths can be adjacent to each other, and the wavelength region in which the infrared detection element 101 exhibits high detection sensitivity can be effectively widened.

「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 infrared detection element 101 according to the second embodiment shown in FIG. On the other hand, it differs from the infrared detection element 101 according to the second embodiment in that the peak wavelength of the sensitivity spectrum of the quantum dot 10A is in the long wavelength infrared region. The same components as those of the infrared detection element 101 according to the second embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

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 element portion 20 of the infrared detection element according to the third embodiment. FIG. 8 is an enlargement of the vicinity of one quantum dot 10A.

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 optical conversion layer 10 includes a lower barrier layer 15, a base layer 14, a quantum dot layer 12, a quantum well layer 13, a cap layer 16, and an upper barrier layer 17.

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 quantum dot layer 12 captures the electrons injected into the element unit 20. FIG. 9 is a diagram schematically showing the conduction band structure of the infrared detection element.

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 quantum dot 10A is long, the size of the periodic uneven structure required for the semiconductor portion 6 to form the plasmon antenna structure can be increased. For example, when the sensitivity spectrum of the infrared detection element is 3 to 5 μm, the uneven structure needs to be provided at intervals of about 1 μm. On the other hand, when the sensitivity spectrum of the infrared detection element is extended to the long wavelength infrared region, the periodic interval of the concave-convex structure can be expanded to about several μm.

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 quantum dots 10A in the quantum dot layer 12 shown in FIG. 8 are made of InGaAs. As shown in FIG. 9, the quantum dot using InGaAs has a higher minimum energy E1 than the quantum dot using InAs. Therefore, the quantum dot 10A has only the ground state u1.

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 quantum dot 10A is 4.5 nm as an example, and the size is about 20 to 30 nm. Here, the size of the quantum dots 10A refers to the average length of the lower surface of the quantum dots 10A in the stacking direction. The size and height of the quantum dots 10A change the conduction band structure of the quantum dot layer 12. For example, if the size or height of the quantum dots 10A is too large, the number of electrons captured in the quantum dot layer 12 increases. As the number of captured electrons increases, they interact with each other, which may reduce the sensitivity of infrared detection.

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 upper surface 10a of the quantum dots 10A in the stacking direction is flattened. When the heights of the plurality of quantum dots 10A are aligned, the level E1 (see FIG. 9) in each of the quantum dots 10A is aligned. When the level E1 at each quantum dot 10A becomes constant, the energy level difference ΔE transitioned by infrared rays becomes constant. In the infrared detection element, the absorption wavelength is determined by the energy level difference ΔE between the level E1 in the quantum dot layer 12 and the excited state level. That is, the sensitivity of the infrared detection element to infrared rays of a specific wavelength is increased.

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 quantum dots 10A exist in the quantum dot layer 12. The density of the quantum dots 10A in the quantum dot layer 12 was set to 5 × 10 10 pieces / cm 2 . The number of quantum dots 10A, which is an infrared absorber, is preferably larger from the viewpoint of increasing the total volume of the absorbing medium. On the other hand, if the number of quantum dots 10A becomes too large, the distance between adjacent quantum dots 10A becomes too close, and they affect each other. As a result, the three-dimensional confinement effect of the quantum dots 10A is reduced. Therefore, the presence of the quantum dots 10A in a predetermined density range enhances the absorption efficiency of the infrared rays L.

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 quantum dots 10A are appropriately doped with silicon (Si) 18. When Si is doped in the quantum dots 10A, the number of electrons as carriers increases. The infrared detection element reads out the movement of electrons as a photocurrent. That is, as the number of carriers increases, the detection sensitivity of the infrared detection element improves. In particular, when the lower barrier layer 15 and the upper barrier layer 17, which will be described later, are provided, it is preferable to dope Si. These barrier layers obstruct the flow of electrons. Therefore, by increasing the number of carriers in the infrared detection element, it is possible to further prevent a decrease in detection sensitivity.

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 quantum well layer 13 covers the entire quantum dot 10A. When the quantum well layer 13 covers the upper surface 10a of the quantum dots 10A, an intermediate level is provided at the energy level, and the photocurrent easily flows. The quantum well layer 13 contains a substance having an In composition ratio x lower than that of the quantum dots 10A. For example, In 0.1 Ga 0.9 As and the like can be used. The energy level of the quantum well layer 13 is located between the cap layer 16 and the quantum dot layer 12. That is, the quantum well layer 13 functions as an intermediate level when the bound electron is excited. The presence of an intermediate level facilitates the flow of photocurrents and improves the sensitivity of the infrared detector.

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 quantum well layer 13 is, for example, 1.5 nm in the upper part of the quantum dot and 6.0 nm in the portion where the quantum dot 10A does not exist. If the width of the quantum well layer 13 is too thick, the quantum confinement effect of the quantum dots 10A becomes small. Therefore, the dark current increases, which causes a decrease in the sensitivity of the infrared detection element.

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 lower barrier layer 15 is located below the quantum dot layer 12 in the stacking direction. The conduction band end of the lower barrier layer 15 has a higher energy level than the reference GaAs energy level. Examples of the substance having such a conduction band offset include AlGaAs. More specifically, Al 0.2 Ga 0.8 As having a composition ratio of Al of 0.2 can be used.

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 upper barrier layer 17 is located above the quantum dot layer 12 in the stacking direction. The conduction band end of the upper barrier layer 17 has a higher energy level than the reference GaAs energy level. The same substance as the lower barrier layer 15 can be used for the upper barrier layer 17.

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 quantum dot layer 12 pass through the lower barrier layer 15 and the upper barrier layer 17 by tunnel effect or thermal excitation. In other words, the lower barrier layer 15 and the upper barrier layer 17 obstruct the flow of electrons. The lower barrier layer 15 and the upper barrier layer 17 suppress the dark current of the infrared detection element.

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 lower barrier layer 15 and the upper barrier layer 17 is 2 nm. If these thicknesses are too thick, it will be difficult for electrons to pass through these barriers. That is, not only the dark current of the infrared detection element but also the flow of the required photocurrent may be obstructed. As a result, it may cause a decrease in the sensitivity of the infrared detection element.

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 base layer 14 is located between the lower barrier layer 15 and the quantum dot layer 12. The base layer 14 is made of GaAs like the intermediate layer 11. Since the lower barrier layer 15 doped with Al tends to have a rougher growth surface than GaAs because it contains Al, it is difficult to laminate a high-quality quantum dot layer 12 on it. By providing the base layer 14, the surface roughness can be improved and the crystallinity of the quantum dot layer 12 is enhanced.

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 cap layer 16 is located between the upper barrier layer 17 and the quantum dot layer 12. The cap layer 16 is also made of GaAs like the intermediate layer 11. The energy levels of the base layer 14 and the cap layer 16 are located between the quantum dot layer 12 and the lower barrier layer 15 or the upper barrier layer 17. That is, the base layer 14 and the cap layer 16 function as intermediate levels when the bound electrons are excited. The presence of an intermediate level facilitates the flow of photocurrents and improves the sensitivity of the infrared detector.

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 base layer 14 and the cap layer 16 was 1.0 nm. If the width of the quantum well formed by the base layer 14 and the cap layer 16 is too thick, the quantum confinement effect by the quantum dots 10A becomes small. Therefore, the dark current increases, which causes a decrease in the sensitivity of the infrared detection element.

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 quantum dot layer 12 that absorbs the infrared rays L (see FIG. 6) in the light conversion layer 10. Therefore, the essential layer is the quantum dot layer 12. On the other hand, since other layers also contribute greatly to light absorption, it is preferable that the infrared detection element also includes the above-mentioned other layers.

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 element unit 20, the optical conversion layer 10 is laminated via the intermediate layer 11. The intermediate layer 11 is preferably made of GaAs. The thickness of the intermediate layer 11 was set to 50 nm.

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 quantum dot layer 12 having the above structural parameters, an infrared detection element having a peak wavelength of about 7.5 μm in the sensitivity spectrum can be realized. Similar to the first embodiment and the second embodiment, when an infrared detection element having a concavo-convex periodic structure corresponding to the detection wavelength is manufactured in this infrared detection element, high-sensitivity infrared rays having a sensitivity spectrum peak wavelength of 6 μm or more are produced. A detection element can be realized. In order to realize a long wavelength infrared sensor that operates in another wavelength region, the above structural parameters may be appropriately changed.

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 infrared detection element 101. The incident infrared L is absorbed by the light conversion layer 10. The optical conversion layer 10 absorbs infrared rays L and produces a photocurrent. The generated photocurrent is output to the outside.

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 light conversion layer 10 are reflected by the reflective surface 21b of the reflective structure 30. The reflected infrared L is absorbed again by the light conversion layer 10. When the reflective surface 21b has an uneven structure, plasmons bound to the interface are photoexcited, and an electric field enhancing effect is produced. A part of infrared rays is captured by the electric field enhancing effect, and the light absorption efficiency in the light conversion layer 10 is enhanced.

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 incident surface 20a after being reflected by the reflecting surface 21b are emitted to the outside of the element unit 20 if the thickness of the element unit 20 in the z direction is not controlled. On the other hand, when the thickness of the element unit 20 in the z direction is controlled, infrared rays having a detection wavelength are confined in the element unit 20 by end-resonance. The infrared rays confined in the element unit 20 are absorbed by the light conversion layer 10. That is, the sensitivity of the infrared detection element 101 is increased.

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 optical conversion layer 10 generate a photocurrent will be described. As shown in FIG. 9, the quantum dot layer 12 has the lowest energy level. Therefore, the electrons injected into the element unit 20 are captured by the quantum dot layer 12. The electrons captured in the quantum dot layer 12 are excited by infrared L (see FIG. 6). Excited electrons pass through the lower barrier layer 15 or the upper barrier layer 17 by tunneling or thermal excitation to generate photocurrents.

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 optical conversion layer 10 shown in FIG. 8 will be described.

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 lower barrier layer 15 represented by Al x Ga 1-x As (X = 0.2) having a thickness of 2 nm and the base layer 14 made of GaAs having a thickness of 1 nm are sequentially laminated on the intermediate layer 11.

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 substrate 19 is lowered to around 480 ° C., and In x Ga 1-x As (X = 0.53) having a thickness corresponding to 2 to 3 atomic layers is laminated. In x Ga 1-x As grows in a three-dimensional island shape according to SK mode growth and becomes quantum dots 10A. The quantum dots 10A are doped with Si. The Si doping is performed by irradiating the quantum dot layer 12 with a Si molecular beam for a predetermined time using a molecular beam epitaxial device.

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 quantum dots 10A, flushing is performed. Flushing means aligning the heights of a plurality of quantum dots 10A. Flushing is performed according to the following procedure. First, after growing the quantum dots 10A, an embedded layer made of a material that is less likely to evaporate than the material constituting the quantum dots 10A (here, In x Ga 1-x As (X = 0.1) whose In composition is smaller than that of the quantum dots). Is formed around the quantum dot 10A at a predetermined height (4.5 nm) lower than that of the quantum dot 10A. As a result, the quantum dots 10A are embedded in the embedded layer with the crown exposed.

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 substrate 19 is heated to evaporate the quantum dots 10A not covered by the embedded layer. By going through such a procedure, the heights of the plurality of quantum dots 10A are aligned. In contained in the quantum dot 10A is easier to sublimate than Ga. Therefore, by heating, a part of In contained in the crown of the quantum dot 10A is sublimated, the upper surface of the quantum dot 10A is flattened, and the heights of the quantum dots are aligned.

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 quantum well layer 13 having a predetermined thickness (remaining thickness: 1.5 nm), a cap layer 16 made of GaAs having a thickness of about 1 nm, and Al having a thickness of 2 nm so as to cover the upper part of the flattened quantum dots. The upper barrier layer 17 represented by x Ga 1-x As (composition is the same as the lower barrier layer) is laminated in order. As a result, the optical conversion layer 10 is formed.

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 reflective surface 21b and an infrared confinement effect due to the thickness control of the element portion 20 in the z direction. .. When these effects are superimposed, the detection sensitivity of the infrared detection element is significantly increased, which cannot be expected from the case where each effect is used alone.

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 infrared detector 200 has an infrared detection element 101, a readout board 102, and a solder bump 103.

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 infrared detector 200 according to the fourth embodiment. In FIG. 12, the case where the infrared detection element 101 according to the second embodiment is used is shown as an example, but the infrared detection element according to the first embodiment or the third embodiment may be used.

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 readout board 102 is an integrated circuit including a plurality of metal electrodes 102A. The readout board 102 faces the infrared detection element 101. The plurality of metal electrodes 102A of the readout substrate 102 are connected to the reflection structure 30 of the infrared detection element 101 by a solder bump 103.

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 infrared detector 200 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. First, the process up to manufacturing the infrared detection element 101 is the same as the method for manufacturing the infrared detection element shown in FIG. 7. In FIG. 13, a part of the infrared detection element 101 is shown in the abbreviated form.

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 dielectric layer 31 is formed around the manufactured infrared detection element 101. At this time, the upper surface of the metal portion 22 corresponding to the outermost layer of the infrared detection element 101 is exposed. Then, a seed metal layer 32 for electric field plating, which will be described later, is deposited on the exposed surface of the metal portion 22 (FIG. 13 (a)). For the seed metal layer 32, for example, Ti, Cu, or the like can be used.

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 seed metal layer 32. The resist 33 is formed into a film with a thickness of, for example, about 15 μm. After that, the resist 33 at the position corresponding to the upper part of the laminate is removed to form the metal plating layer 34 (FIG. 13 (b)). For the metal plating layer 34, for example, Ni, In, or the like can be used.

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 seed metal layer 32 existing directly under the resist 33 are removed and diced to the size of each infrared element (FIG. 13 (c)). Then, the metal plating layer 34 is melted by heating and flip-chip bonded to the readout substrate 102 (FIG. 13 (d)). Finally, a resin 35 for protecting each element is filled around the infrared detection element to obtain an infrared detector.

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: Element part 2, 30: Reflective structure 4, 10: Optical conversion layer 10A: Quantum dot 5, 11: Intermediate layer 6, 21: Semiconductor part 7, 22: Metal part 1A, 20a: Incident surface 2A, 21b: Reflective surface 100, 100a, 100b, 101: Infrared detection element P: Column 12: Quantum dot layer 13: Quantum well layer 14: Underlayer 15: Lower barrier layer 16: Cap layer 17: Upper barrier layer 18: Silicon (Si)
19: Substrate 31: Dielectric layer 32: Seed metal layer 33: Resist 34: Metal plating layer 35: Resin 40: Low reflection film 102: Readout substrate 102A: Metal electrode 103: Solder bump L: Infrared P: Columnar body

Claims (9)

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、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 . 前記反射構造体における半導体部は、前記入射面と反対方向に向かって突出する複数の柱状体を備え、前記複数の柱状体が前記凹凸構造をなす、請求項１に記載の赤外線検出素子。 The infrared detection element according to claim 1, wherein the semiconductor portion in the reflection structure includes a plurality of columnar bodies protruding in a direction opposite to the incident surface, and the plurality of columnar bodies form the uneven structure. 前記反射構造体を構成する周期的な凹凸構造は、正三角格子状又は正六角格子状に配列している請求項１又は２に記載の赤外線検出素子。 The infrared detection element according to claim 1 or 2, wherein the periodic uneven structure constituting the reflection structure is arranged in a regular triangular lattice pattern or a regular hexagonal lattice pattern. 前記金属部は、周期的な前記凹凸構造を有する半導体部を全面で覆い、かつ、前記金属部の赤外線に対する反射率が９０％以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。 The invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal portion completely covers the semiconductor portion having the periodic uneven structure, and the reflectance of the metal portion with respect to infrared rays is 90% or more. Infrared detection element. 前記素子部の入射面に、低反射膜をさらに備え、
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 . 前記素子部の光変換層は、量子ナノ構造を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。 The infrared detection element according to any one of claims 1 to 5, wherein the optical conversion layer of the element portion includes a quantum nanostructure. 前記量子ナノ構造は、量子ドット、量子井戸及び量子細線からなる群から選択されるいずれかを含み、
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. 前記量子ナノ構造は量子ドットであり、感度スペクトルのピーク波長が８μｍ以上１４μｍ以下である、請求項６又は７に記載の赤外線検出素子。 The infrared detection element according to claim 6 or 7 , wherein the quantum nanostructure is a quantum dot, and the peak wavelength of the sensitivity spectrum is 8 μm or more and 14 μm or less. 請求項１～８のいずれか一項に記載の赤外線検出素子と、
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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