JP7107367B2 - Photodetector and infrared detector - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線を検出する光検出素子に関する。 The present invention relates to a photodetector that detects infrared rays.

赤外線を検出する光検出素子の受光材料として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＣｄＴｅ）や化合物半導体などのバルク半導体が用いられる。化合物半導体を受光材料とする光検出素子では、赤外線の受光の有無に関わらず流れる電流（以下、暗電流と呼ぶ）を低減するために、受光層とコンタクト層との間に電子障壁層を介在させる構造が開示されている。 Bulk semiconductors such as mercury-cadmium-tellurium (HgCdTe) and compound semiconductors are used as light-receiving materials for photodetection elements that detect infrared rays. In a photodetector that uses a compound semiconductor as a light-receiving material, an electron barrier layer is interposed between the light-receiving layer and the contact layer in order to reduce the current that flows regardless of whether infrared light is received or not (hereinafter referred to as dark current). Structures are disclosed that allow

非特許文献１には、インジウム・ヒ素（ＩｎＡｓ）とガリウム・アンチモン（ＧａＳｂ）とを交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層に対して、アルミニウム・ガリウム・アンチモン（ＡｌＧａＳｂ）層を電子障壁層として含む光検出素子が開示されている。 In Non-Patent Document 1, an aluminum-gallium-antimony (AlGaSb) layer is added to an absorption layer of a type 2 superlattice structure in which indium-arsenide (InAs) and gallium-antimony (GaSb) are alternately laminated. A photodetector including as a barrier layer is disclosed.

非特許文献２には、ＩｎＡｓバルク受光層に対して、アルミニウム・ヒ素・アンチモン（ＡｌＡｓＳｂ）障壁層を設けた構造が開示されている。 Non-Patent Document 2 discloses a structure in which an aluminum-arsenic-antimony (AlAsSb) barrier layer is provided on an InAs bulk light-receiving layer.

非特許文献３には、インジウム・ガリウム・ヒ素・アンチモン（ＩｎＧａＡｓＳｂ）バルク受光層に対して、ＡｌＧａＳｂ障壁層を設けた構造が開示されている。 Non-Patent Document 3 discloses a structure in which an AlGaSb barrier layer is provided for an indium-gallium-arsenic-antimony (InGaAsSb) bulk absorption layer.

非特許文献４には、ＩｎＡｓとアルミニウム・アンチモン（ＡｌＳｂ）とＧａＳｂとを交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層に対して、タイプ１超格子構造の電子障壁層を用いる光検出素子について開示されている。非特許文献４の光検出素子は、ＡｌＡｓＳｂとＧａＳｂとを交互に積層させたタイプ１超格子構造の電子障壁層を含む。 Non-Patent Document 4 describes a photodetector using an electron barrier layer with a type 1 superlattice structure for an absorption layer with a type 2 superlattice structure in which InAs, aluminum antimony (AlSb), and GaSb are alternately laminated. is disclosed. The photodetector of Non-Patent Document 4 includes an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure in which AlAsSb and GaSb are alternately laminated.

特許文献１には、積層された複数の量子ドット層を有する赤外線検知部と、赤外線検知部の積層方向の端部に設けられ、量子井戸構造を有する少なくとも１層の暗電流低減層と、を有する赤外線検知器について開示されている。 In Patent Document 1, an infrared detection unit having a plurality of stacked quantum dot layers, and at least one dark current reduction layer having a quantum well structure provided at the end of the infrared detection unit in the stacking direction. An infrared detector with

特許文献２には、光吸収部となる量子ドットを埋め込んだ中間層と、電位障壁となる量子ドットを埋め込んだ中間層とを積層させた構造を有する赤外線検知器について開示されている。 Patent Document 2 discloses an infrared detector having a structure in which an intermediate layer in which quantum dots are embedded as a light absorbing portion and an intermediate layer in which quantum dots are embedded as a potential barrier are laminated.

特開２００７－１８４５１２号公報JP 2007-184512 A 特開２００６－１８６１８３号公報JP 2006-186183 A

J. B. Rodriguez, E. Plis, G. Bishop, Y. D. Sharma, H. Kim, L. R. Dawson, S. Krishna, “ｎＢｎ structure based on InAs/GaSb type-II strained layer superlattices”, Applied Physics Letters, vol.91, 043514, 2007J. B. Rodriguez, E. Plis, G. Bishop, Y. D. Sharma, H. Kim, L. R. Dawson, S. Krishna, “nBn structure based on InAs/GaSb type-II strained layer superlattices”, Applied Physics Letters, vol.91, 043514 , 2007 S. Maimon, and G. W. Wicks, “nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature,” Applied Physics Letters, vol.89, 151109, 2006S. Maimon, and G. W. Wicks, “nBn detector, an infrared detector with reduced dark current and higher operating temperature,” Applied Physics Letters, vol.89, 151109, 2006 A. P. Craig et al., “Short-wave infrared barriode detectors using InGaAsSb absorption material lattice matched to GaSb,” Applied Physics Letters, vol.106, 201103 ,2015A. P. Craig et al., “Short-wave infrared barrier detectors using InGaAsSb absorption material lattice matched to GaSb,” Applied Physics Letters, vol.106, 201103, 2015 A Haddadi, R. Chevallier, A. Dehzangi, M. Razeghi, “Extended short-wavelength infrared nBn photodetectors based on type-II InAs/AlSb/GaSb superlattices with an AlAsSb/GaSb superlattice barrier”, Applied Physics Letters, vol.110, 101104, 2017A Haddadi, R. Chevallier, A. Dehzangi, M. Razeghi, “Extended short-wavelength infrared nBn photodetectors based on type-II InAs/AlSb/GaSb superlattices with an AlAsSb/GaSb superlattice barrier”, Applied Physics Letters, vol.110 , 101104, 2017

非特許文献１～４の光検出素子によれば、コンタクト層と受光層との間に、電子に対してポテンシャルの壁となる電子障壁層を導入することによって、暗電流を低下させることができる。しかしながら、非特許文献１～４の光検出素子は、１５０ケルビンを超える高温動作を安定して実現するほどには、暗電流を抑制できないという課題があった。 According to the photodetector elements of Non-Patent Documents 1 to 4, dark current can be reduced by introducing an electron barrier layer that acts as a potential wall against electrons between the contact layer and the light-receiving layer. . However, the photodetector elements of Non-Patent Documents 1 to 4 have the problem that dark current cannot be suppressed to the extent that high-temperature operation exceeding 150 Kelvin can be stably realized.

本発明の目的は、上述した課題を解決し、暗電流の発生を抑制できる光検出素子を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a photodetector capable of suppressing the generation of dark current.

本発明の一態様の光検出素子は、基板と、基板の上方に形成される受光層と、受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、電子障壁層の基材の半導体と、量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる。 A photodetector of one embodiment of the present invention includes a substrate, a light-receiving layer formed above the substrate, and an electron-blocking layer formed in contact with the light-receiving layer and containing a plurality of quantum dots. The semiconductor of the base material and the semiconductor forming the quantum dots have different lattice constants.

本発明によれば、暗電流の発生を抑制できる光検出素子を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the photodetector which can suppress generation|occurrence|production of a dark current.

本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の構成の一例を示す概念図である。1 is a conceptual diagram showing an example of a configuration of a photodetector according to a first embodiment of the invention; FIG. 本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層の構成の一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of an electron barrier layer included in the photodetector according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層のバンド構造の一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the band structure of the electron barrier layer included in the photodetector according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の製造方法について説明するためのフローチャートである。4 is a flow chart for explaining a method for manufacturing a photodetector according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の受光層をアレイ状に形成する一例を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of forming the light receiving layer of the photodetector according to the first embodiment of the present invention in an array. 本発明の第１の実施形態に係る光検出素子と読み出し回路とをフリップチップ接合する一例について説明するための概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining an example of flip-chip bonding of the photodetector and the readout circuit according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の構成の一例を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of a photodetector according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層の構成の一例を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of an electron barrier layer included in a photodetector according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に含まれる電子障壁層のバンド構造の一例を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of the band structure of an electron barrier layer included in a photodetector according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の製造方法について説明するためのフローチャートである。8 is a flow chart for explaining a method for manufacturing a photodetector according to a second embodiment of the present invention; 本発明の第３の実施形態に係る光検出素子の構造の一例を示す概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing an example of the structure of a photodetector according to a third embodiment of the present invention; 本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出装置の構成の一例を示す概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of an infrared detection device according to a fourth embodiment of the present invention;

以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。また、図面中の矢印の向きは、一例を示すものであり、ブロック間の信号の向きを限定するものではない。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated using drawing. However, the embodiments described below are technically preferable for carrying out the present invention, but the scope of the invention is not limited to the following. In addition, in all the drawings used for the following description of the embodiments, the same symbols are attached to the same portions unless there is a particular reason. Further, in the following embodiments, repeated descriptions of similar configurations and operations may be omitted. Also, the directions of the arrows in the drawings are only examples, and do not limit the directions of signals between blocks.

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る光検出素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、バルク半導体の内部に量子ドットを埋め込んだ構造の電子障壁層を備える。(First embodiment)
First, the photodetector according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The photodetector of this embodiment includes an electron barrier layer having a structure in which quantum dots are embedded inside a bulk semiconductor.

図１は、本実施形態の光検出素子１０の構成の一例を示す模式図である。図１のように、光検出素子１０は、基板１１、バッファ層１２、第１コンタクト層１３、電子障壁層１４、受光層１５、および第２コンタクト層１６を備える。なお、図１は、光検出素子１０の構成を概念的に示すものであり、各構成の縮尺を正確に表していない。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the photodetector 10 of this embodiment. As shown in FIG. 1, the photodetector 10 includes a substrate 11, a buffer layer 12, a first contact layer 13, an electron barrier layer 14, an absorption layer 15, and a second contact layer 16. FIG. Note that FIG. 1 conceptually shows the configuration of the photodetector 10 and does not accurately represent the scale of each configuration.

基板１１は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板１１は、化合物半導体材料で構成される。例えば、基板１１の半導体組成は、ガリウム・アンチモン（ＧａＳｂ）やインジウム・リン（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）などである。なお、基板１１の材料は、ここで挙げた限りではない。基板１１を構成する材料は、バッファ層１２や、第１コンタクト層１３、電子障壁層１４、受光層１５、および第２コンタクト層１６に用いられる材料に合わせて選択すればよい。また、基板１１には、不純物がドープされていてもよい。 The substrate 11 is a substrate for forming an infrared detection structure. The substrate 11 is composed of a compound semiconductor material. For example, the semiconductor composition of the substrate 11 is gallium antimony (GaSb), indium phosphide (InP), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), or the like. Note that the material of the substrate 11 is not limited to those mentioned here. The material forming the substrate 11 may be selected according to the materials used for the buffer layer 12, the first contact layer 13, the electron barrier layer 14, the absorption layer 15, and the second contact layer 16. FIG. Further, the substrate 11 may be doped with impurities.

バッファ層１２は、基板１１の上面に形成される。バッファ層１２は、基板１１の上面の面方位に倣って結晶成長した層である。バッファ層１２は、基板１１と同じ材料で構成することが好ましい。 A buffer layer 12 is formed on the top surface of the substrate 11 . The buffer layer 12 is a layer crystal-grown along the plane orientation of the upper surface of the substrate 11 . The buffer layer 12 is preferably made of the same material as the substrate 11 .

第１コンタクト層１３は、バッファ層１２の上面に形成される。第１コンタクト層１３は、ドーパントを含む。例えば、第１コンタクト層１３にｎ型ドーパントを導入する場合、ケイ素（Ｓｉ）を用いることができる。例えば、第１コンタクト層１３にｐ型ドーパントを用いる場合、ベリリウム（Ｂｅ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いることができる。なお、第１コンタクト層１３は、バッファ層１２と同じ組成にすることが好ましい。また、第１コンタクト層１３は、バッファ層１２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、基板１１の材料にＩｎＰを用いる場合、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを第１コンタクト層１３に用いることができる。 A first contact layer 13 is formed on the upper surface of the buffer layer 12 . The first contact layer 13 contains a dopant. For example, when introducing an n-type dopant into the first contact layer 13, silicon (Si) can be used. For example, when using a p-type dopant for the first contact layer 13, beryllium (Be) or zinc (Zn) can be used. Note that the first contact layer 13 preferably has the same composition as the buffer layer 12 . Also, the first contact layer 13 may be of another semiconductor composition that is lattice-matched with the buffer layer 12 . For example, when InP is used as the material of the substrate 11 , InGaAs lattice-matched with InP can be used for the first contact layer 13 .

電子障壁層１４は、第１コンタクト層１３の上面に積層される。電子障壁層１４は、基材となるバルク半導体の内部に、そのバルク半導体よりもバンドギャップが狭い複数の量子ドットが含まれる構造を有する。電子障壁層１４の基材と量子ドットを構成する半導体組成は、格子定数が異なる。 The electron barrier layer 14 is laminated on the top surface of the first contact layer 13 . The electron barrier layer 14 has a structure in which a plurality of quantum dots having a bandgap narrower than that of the bulk semiconductor are contained inside a bulk semiconductor serving as a base material. The base material of the electron barrier layer 14 and the semiconductor composition forming the quantum dots have different lattice constants.

図２は、電子障壁層１４の構成の一例を示す概念図である。図２のように、電子障壁層１４は、バルク層１４１の内部に、複数の量子ドット１４５が含まれる構造を有する。量子ドット１４５の半導体組成は、バルク層１４１の半導体組成よりもバンドギャップが狭い。量子ドット１４５は、バルク層１４１の結晶成長の途中で、バルク層１４１の材料よりも格子定数の大きい半導体組成の材料を数分子層積層した際に、界面の歪みが解消されるように自然形成される３次元的な島状構造である。このように、自然形成される量子ドットのことを自己形成量子ドットと呼ぶ。 FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the electron barrier layer 14. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the electron barrier layer 14 has a structure in which a plurality of quantum dots 145 are contained inside the bulk layer 141 . The semiconductor composition of the quantum dots 145 has a narrower bandgap than the semiconductor composition of the bulk layer 141 . Quantum dots 145 are formed naturally so that distortion at the interface is eliminated when several molecular layers of materials having a semiconductor composition having a larger lattice constant than the material of bulk layer 141 are stacked in the middle of crystal growth of bulk layer 141 . It is a three-dimensional island-like structure. Such spontaneously formed quantum dots are called self-formed quantum dots.

例えば、電子障壁層１４は、バルク層１４１として結晶成長させたアルミニウム・ガリウム・アンチモン（ＡｌＧａＳｂ）の内部に、ＡｌＧａＳｂよりもバンドギャップの狭い半導体組成の量子ドット１４５を含む。例えば、ＡｌＧａＳｂよりもバンドギャップの狭い半導体組成としては、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）や、インジウム・ガリウム・アンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、インジウム・ヒ素・アンチモン（ＩｎＡｓＳｂ）が挙げられる。 For example, the electron barrier layer 14 contains quantum dots 145 with a semiconductor composition having a narrower bandgap than AlGaSb inside aluminum-gallium-antimonide (AlGaSb) crystal-grown as the bulk layer 141 . For example, indium antimony (InSb), indium-gallium-antimony (InGaSb), and indium-arsenic-antimony (InAsSb) are examples of semiconductor compositions having a narrower bandgap than AlGaSb.

図３は、図２に示すＡ－Ａ線（点線）で切断した断面におけるバンド構造の一例を示す概念図である。量子ドット１４５がバルク層１４１よりも狭バンドギャップであるため、量子ドット１４５内に離散化準位（量子ドット準位とも呼ぶ）が形成される。電子障壁層１４を透過しようとする電子のうち、量子ドット１４５内の離散化準位に合致したエネルギーの電子のみが量子ドット１４５を介した伝導に寄与する。すなわち、本実施形態の光検出素子１０においては、電子障壁層１４の内部における電子の透過率を低下させ、暗電流を抑制する。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a band structure in a cross section taken along line AA (dotted line) shown in FIG. Since the quantum dots 145 have a narrower bandgap than the bulk layer 141 , discrete levels (also called quantum dot levels) are formed within the quantum dots 145 . Of the electrons trying to pass through the electron barrier layer 14 , only electrons with energy matching the discretized level in the quantum dots 145 contribute to conduction through the quantum dots 145 . That is, in the photodetector 10 of the present embodiment, the electron transmittance inside the electron barrier layer 14 is reduced to suppress the dark current.

電子障壁層１４を構成するバルク半導体の格子定数は、基板１１を構成する材料の格子定数と整合させることが好ましい。例えば、基板１１をＩｎＰで構成する場合、電子障壁層１４を構成するバルク半導体の格子定数は、ＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と整合させる。電子障壁層１４を構成するバルク半導体と、基板１１を構成する材料とが格子整合する条件（格子整合条件）は、電子障壁層１４と基板１１の半導体組成の格子定数の差が１パーセント以下であることが好ましい。また、電子障壁層１４と基板１１の半導体組成の格子定数の差は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。 The lattice constant of the bulk semiconductor forming the electron barrier layer 14 is preferably matched with the lattice constant of the material forming the substrate 11 . For example, when the substrate 11 is composed of InP, the lattice constant of the bulk semiconductor constituting the electron barrier layer 14 is matched with the lattice constant of InP (5.8686 angstroms). The condition for lattice matching between the bulk semiconductor constituting the electron barrier layer 14 and the material constituting the substrate 11 (lattice matching condition) is that the difference in lattice constant between the semiconductor compositions of the electron barrier layer 14 and the substrate 11 is 1% or less. Preferably. Further, the difference in lattice constant of the semiconductor composition between the electron barrier layer 14 and the substrate 11 is more preferably 0.5% or less, more preferably 0.2% or less.

例えば、電子障壁層１４を構成する半導体組成には、基板１１と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、基板１１にＩｎＰを用いる場合、基板１１に含まれるリン（Ｐ）が電子障壁層１４に含まれてもよい。また、電子障壁層１４には、基板に含まれないドーパントが含まれてもよい。 For example, the semiconductor composition forming the electron barrier layer 14 may contain other semiconductor compositions as long as they are lattice-matched with the substrate 11 . For example, when InP is used for the substrate 11 , phosphorus (P) contained in the substrate 11 may be contained in the electron barrier layer 14 . Also, the electron barrier layer 14 may contain dopants that are not contained in the substrate.

受光層１５は、電子障壁層１４の上面に積層される。受光層１５には、所望の赤外線に対する応答のよい材料を用いる。例えば、受光層１５には、バルクの化合物半導体や、少なくとも２種類の化合物半導体を積層させたタイプ２超格子構造を用いることができる。 The absorption layer 15 is laminated on the upper surface of the electron barrier layer 14 . A material having good response to desired infrared rays is used for the light receiving layer 15 . For example, the absorption layer 15 can use a bulk compound semiconductor or a type 2 superlattice structure in which at least two kinds of compound semiconductors are laminated.

タイプ２超格子構造は、少なくとも２種類の層（第１受光層・第２受光層）を短周期で交互に積層させた構造を有する。タイプ２超格子構造では、隣接し合う第１受光層と第２受光層との間におけるミニバンド間遷移を利用して、実効的に小さなバンドギャップを形成させる。タイプ２超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に異なる。言い換えると、タイプ２超格子構造では、電子と正孔とが異なる層に交互に閉じ込められる。 The type 2 superlattice structure has a structure in which at least two types of layers (first light-receiving layer and second light-receiving layer) are alternately stacked in a short period. The type 2 superlattice structure utilizes inter-miniband transitions between the adjacent first and second absorption layers to effectively form a small bandgap. In a type 2 superlattice structure, the locations where electrons and holes are confined are spatially distinct. In other words, in a Type 2 superlattice structure, electrons and holes are alternately confined in different layers.

例えば、受光層１５には、第１受光層としてインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層を含み、第２受光層としてＧａＡｓＳｂ層を含むタイプ２超格子構造を用いることができる。これ以降、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層とを交互に積層したタイプ２超格子構造をＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂと記載する。 For example, the absorption layer 15 can use a type 2 superlattice structure including an indium gallium arsenide (InGaAs) layer as a first absorption layer and a GaAsSb layer as a second absorption layer. Hereinafter, a type 2 superlattice structure in which InGaAs layers and GaAsSb layers are alternately laminated will be referred to as InGaAs/GaAsSb.

例えば、タイプ２超格子構造を有する受光層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを数１００ペア積層させて構成できる。ただし、受光層１５の積層数は、ここで挙げた限りではない。例えば、タイプ２超格子構造を有する受光層１５は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法、またはそれらに準ずる手法を用いて基板１１の上方に成長される。なお、受光層１５は、３種類以上の層を組み合わせたタイプ２超格子構造で構成してもよい。 For example, the absorption layer 15 having a type 2 superlattice structure can be constructed by laminating several hundred pairs of InGaAs/GaAsSb. However, the number of lamination of the light receiving layer 15 is not limited to that mentioned here. For example, the absorption layer 15 having a type 2 superlattice structure is grown above the substrate 11 using metalorganic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, or similar techniques. The absorption layer 15 may be configured with a type 2 superlattice structure in which three or more layers are combined.

受光層１５の結晶品質を高く保つためには、受光層１５を構成するタイプ２超格子構造の格子定数が基板１１を構成する材料の格子定数と整合していることが望ましい。受光層１５を構成するタイプ２超格子構造と、基板１１を構成する材料とが格子整合する条件（格子整合条件）は、受光層１５と基板１１の格子定数の差が１パーセント以下であることが好ましい。また、受光層１５と基板１１の格子定数の差は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。例えば、第１受光層の半導体組成としてＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成としてＧａＡｓ0.55Ｓｂを含むタイプ２超格子構造を受光層１５として用いることができる。In order to keep the crystal quality of the light-receiving layer 15 high, it is desirable that the lattice constant of the type 2 superlattice structure forming the light-receiving layer 15 matches the lattice constant of the material forming the substrate 11 . The condition for lattice matching between the type 2 superlattice structure forming the absorption layer 15 and the material forming the substrate 11 (lattice matching condition) is that the difference in lattice constant between the absorption layer 15 and the substrate 11 is 1% or less. is preferred. Moreover, the difference in lattice constant between the absorption layer 15 and the substrate 11 is more preferably 0.5% or less, and still more preferably 0.2% or less. For example, a type 2 superlattice structure containing In 0.52 GaAs as the semiconductor composition of the first absorption layer and GaAs 0.55 Sb as the semiconductor composition of the second absorption layer can be used as the absorption layer 15 .

受光層１５には、基板１１を構成する材料と格子整合する条件を満たす範囲で、他の半導体組成が添加されていても構わない。また、受光層１５には、基板１１に含まれる材料が含まれてもよい。例えば、基板１１の半導体組成をＩｎＰとする場合、受光層１５にＰが含まれてもよい。また、受光層１５には、基板１１の材料に含まれないドーパントが混在してもよい。 Other semiconductor compositions may be added to the light-receiving layer 15 as long as it satisfies the condition of lattice matching with the material forming the substrate 11 . Also, the absorption layer 15 may contain the material contained in the substrate 11 . For example, when the semiconductor composition of the substrate 11 is InP, the absorption layer 15 may contain P. In addition, a dopant that is not contained in the material of the substrate 11 may be mixed in the absorption layer 15 .

第２コンタクト層１６は、受光層１５の上面に積層される。第２コンタクト層１６は、ドーパントを含む。例えば、ｎ型ドーパントを用いる場合、Ｓｉを用いることができる。例えば、ｐ型ドーパントを用いる場合、ＢｅやＺｎを用いることができる。第２コンタクト層１６は、バッファ層１２と同じ組成にすることが好ましい。なお、第２コンタクト層１６は、バッファ層１２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、基板１１の材料にＩｎＰを用いる場合、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを第２コンタクト層１６に用いることができる。第２コンタクト層１６は、必ずしも基板１１と格子整合させなくてもよいため、第１コンタクト層１３と比べて材料の選択の幅が広い。 The second contact layer 16 is laminated on the upper surface of the absorption layer 15 . The second contact layer 16 contains dopants. For example, when using an n-type dopant, Si can be used. For example, when using a p-type dopant, Be or Zn can be used. The second contact layer 16 preferably has the same composition as the buffer layer 12 . Note that the second contact layer 16 may be of another semiconductor composition that is lattice-matched with the buffer layer 12 . For example, when InP is used as the material of the substrate 11 , InGaAs lattice-matched with InP can be used for the second contact layer 16 . Since the second contact layer 16 does not necessarily have to be lattice-matched with the substrate 11 , there is a wider selection of materials than for the first contact layer 13 .

以上が、本実施形態の光検出素子１０の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子１０の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子１０の構成を限定するものではない。 The above is the description of the configuration of the photodetector 10 of the present embodiment. The configuration of the photodetector 10 described above is an example, and does not limit the configuration of the photodetector 10 of the present embodiment.

〔製造方法〕
次に、光検出素子１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。図４は、光検出素子１０の製造方法について説明するためのフローチャートである。〔Production method〕
Next, a method for manufacturing the photodetector 10 will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a flow chart for explaining the method of manufacturing the photodetector 10. As shown in FIG.

図４において、まず、基板１１の上面にバッファ層１２を積層する（ステップＳ１１）。 In FIG. 4, first, the buffer layer 12 is laminated on the upper surface of the substrate 11 (step S11).

次に、バッファ層１２の上面に第１コンタクト層１３を積層する（ステップＳ１２）。第１コンタクト層１３の組成は、バッファ層１２と同じでもよいし、バッファ層１２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。 Next, the first contact layer 13 is laminated on the upper surface of the buffer layer 12 (step S12). The composition of the first contact layer 13 may be the same as that of the buffer layer 12 , or may be another semiconductor composition lattice-matched with the buffer layer 12 .

次に、第１コンタクト層１３の上面にバルク層１４１を積層する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３においては、電子障壁層１４の膜厚分のバルク層１４１を一度に積層させず、量子ドット１４５を形成させる位置に合わせた厚さのバルク層１４１を積層する。 Next, the bulk layer 141 is laminated on the upper surface of the first contact layer 13 (step S13). In step S13, the bulk layer 141 having the thickness corresponding to the position where the quantum dots 145 are to be formed is stacked instead of stacking the bulk layer 141 corresponding to the thickness of the electron barrier layer 14 at once.

次に、積層途中のバルク層１４１の上面に量子ドット１４５を形成する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４においては、積層途中のバルク層１４１の上面に、量子ドット１４５の材料層を薄く積層する。バルク層１４１と量子ドット１４５の材料の格子定数の差が大きいと、量子ドット１４５の材料層の歪みを解消するように、Ｓ－Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ－Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）成長モードによって量子ドット１４５が自己形成される。例えば、バルク層１４１としてＡｌＡｓ0.55Ｓｂを積層し、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂの上面にＩｎＡｓ0.26Ｓｂを薄く積層すると、格子定数が８．５パーセント異なるため、Ｓ－Ｋ成長モードによってＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット１４５が自己形成する。Next, quantum dots 145 are formed on the upper surface of the bulk layer 141 in the middle of lamination (step S14). In step S14, a thin material layer of the quantum dots 145 is laminated on the upper surface of the bulk layer 141 in the middle of lamination. If the lattice constant difference between the materials of the bulk layer 141 and the quantum dots 145 is large, the quantum dots 145 are self-formed by the SK (Stranski-Krastanov) growth mode so as to eliminate the strain of the material layer of the quantum dots 145. be. For example, when AlAs 0.55 Sb is laminated as the bulk layer 141 and InAs 0.26 Sb is thinly laminated on the upper surface of AlAs 0.55 Sb, the lattice constant differs by 8.5% . self-forms.

積層途中のバルク層１４１の上面に量子ドット１４５を形成する際には、フラックスを変更する。例えば、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂをバルク層１４１として積層している途中で、ＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット１４５を形成する際には、Ａｓ比率を０．５５から０．２６に変更し、Ｓｂ比率を０．４５から０．７４に変更する。例えば、分子線エピタキシー法を用いて量子ドット１４５を形成する際には、フラックスの変更に合わせてセル温度を変更する。When forming the quantum dots 145 on the upper surface of the bulk layer 141 in the middle of lamination, the flux is changed. For example, when forming the quantum dots 145 of InAs 0.26 Sb while laminating AlAs 0.55 Sb as the bulk layer 141, the As ratio is changed from 0.55 to 0.26, and the Sb ratio is changed from 0.55 to 0.26. Change from 45 to 0.74. For example, when forming the quantum dots 145 using the molecular beam epitaxy method, the cell temperature is changed according to the change of the flux.

次に、量子ドット１４５を形成したバルク層１４１の上面にバルク層１４１を追加積層し、バルク層１４１の内部に量子ドット１４５を埋め込む（ステップＳ１５）。 Next, the bulk layer 141 is additionally laminated on the upper surface of the bulk layer 141 in which the quantum dots 145 are formed, and the quantum dots 145 are embedded inside the bulk layer 141 (step S15).

電子障壁層１４が完成していない場合（ステップＳ１６でＮｏ）、ステップＳ１４に戻り、積層途中のバルク層１４１の上面に量子ドット１４５を形成する（ステップＳ１４）。 If the electron barrier layer 14 is not completed (No in step S16), the process returns to step S14, and the quantum dots 145 are formed on the upper surface of the bulk layer 141 during lamination (step S14).

一方、電子障壁層１４が完成した場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、電子障壁層１４の上面に受光層１５を積層する（ステップＳ１７）。 On the other hand, when the electron barrier layer 14 is completed (Yes in step S16), the absorption layer 15 is laminated on the upper surface of the electron barrier layer 14 (step S17).

そして、受光層１５の上面に第２コンタクト層１６を積層する（ステップＳ１８）。 Then, the second contact layer 16 is laminated on the upper surface of the absorption layer 15 (step S18).

以上が、本実施形態の光検出素子１０の製造方法についての説明である。光検出素子１０の製造方法においては、電子障壁層１４を積層する際に、バルク層１４１を断続的に積層する工程（ステップＳ１３およびステップＳ１５）と、積層途中のバルク層１４１の表面に量子ドット１４５を形成する工程（ステップＳ１４）とを繰り返す。なお、図４のフローチャートに沿った光検出素子１０の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子１０の製造方法を限定するものではない。 The above is the description of the method for manufacturing the photodetector element 10 of the present embodiment. In the method for manufacturing the photodetector 10, when stacking the electron barrier layer 14, the step of intermittently stacking the bulk layer 141 (steps S13 and S15), and the quantum dots on the surface of the bulk layer 141 during stacking. The step of forming 145 (step S14) is repeated. The method for manufacturing the photodetector 10 according to the flowchart of FIG. 4 is an example, and does not limit the method for manufacturing the photodetector 10 of the present embodiment.

〔赤外線検出素子〕
次に、本実施形態の光検出素子１０を加工して製造される赤外線検出素子について図面を参照しながら説明する。[Infrared detection element]
Next, an infrared detection element manufactured by processing the photodetection element 10 of this embodiment will be described with reference to the drawings.

図５は、基板１１の上面に形成した赤外線検出構造を複数のメサ構造１１０（検出単位とも呼ぶ）に加工した赤外線検出素子１００の一例を示す模式図である。メサ構造１１０の最上端には、第２コンタクト層１６の最上面に形成させた上部電極が位置する。 FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of an infrared detection element 100 in which the infrared detection structure formed on the upper surface of the substrate 11 is processed into a plurality of mesa structures 110 (also called detection units). An upper electrode formed on the uppermost surface of the second contact layer 16 is positioned at the uppermost end of the mesa structure 110 .

メサ構造１１０は、フォトリソグラフィーやウエットエッチングなどの微細加工プロセスを用いて形成できる。メサ構造１１０の上端に、金属蒸着とアニーリングによって電極構造を作製すれば、アレイ状に配列された検出単位を有する赤外線検出素子１００を製造できる。 The mesa structure 110 can be formed using microfabrication processes such as photolithography and wet etching. By forming an electrode structure on the upper end of the mesa structure 110 by metal deposition and annealing, the infrared detection element 100 having detection units arranged in an array can be manufactured.

図６は、読み出し回路１２０に赤外線検出素子１００をフリップチップ接合して構成した赤外線センサアレイ１３０の一例を示す模式図である。赤外線センサアレイ１３０は、赤外線検出素子１００と、シリコン基板上に形成された読み出し回路とをフリップチップ接合することによって製造できる。 FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of an infrared sensor array 130 configured by flip-chip bonding the infrared detecting element 100 to the readout circuit 120. As shown in FIG. The infrared sensor array 130 can be manufactured by flip-chip bonding the infrared detection element 100 and a readout circuit formed on a silicon substrate.

例えば、赤外線センサアレイ１３０の作製プロセスは、非特許文献５に開示されている。
（非特許文献５：H. S. Kim et al., “Mid-IR focal plane array based on type-II strain layer superlattice detector with nBn design,” Applied Physics Letters, vol.92, 183502, 2008）
赤外線検出素子１００を動作させるためには、第１コンタクト層１３に形成した下部電極（図示しない）と、第２コンタクト層１６に形成した上部電極（図示しない）との間にバイアス電圧を印加する。より具体的には、下部電極側（第１コンタクト層１３側）が負バイアスとなるような電圧を印加する。バンド間遷移によって赤外線を検出するタイプの受光層の場合、基板１１の裏面から赤外線が入射すると、受光層１５において電子と正孔とが生成される。第１コンタクト層１３と第２コンタクト層１６との間にバイアス電圧が印加されているため、電子は上部電極側（第２コンタクト層１６側）に伝導し、正孔は下部電極側（第１コンタクト層１３側）に伝導する。For example, the fabrication process of the infrared sensor array 130 is disclosed in Non-Patent Document 5.
(Non-Patent Document 5: HS Kim et al., “Mid-IR focal plane array based on type-II strain layer superlattice detector with nBn design,” Applied Physics Letters, vol.92, 183502, 2008)
In order to operate the infrared detection element 100, a bias voltage is applied between a lower electrode (not shown) formed on the first contact layer 13 and an upper electrode (not shown) formed on the second contact layer 16. . More specifically, a voltage is applied such that the lower electrode side (first contact layer 13 side) is negatively biased. In the case of a type of light-receiving layer that detects infrared rays by band-to-band transition, electrons and holes are generated in the light-receiving layer 15 when infrared light is incident from the rear surface of the substrate 11 . Since a bias voltage is applied between the first contact layer 13 and the second contact layer 16, electrons are conducted to the upper electrode side (second contact layer 16 side), and holes are conducted to the lower electrode side (first contact layer 16 side). contact layer 13 side).

以上のように、本実施形態の光検出素子は、コンタクト層と受光層との間に、量子ドットを含む電子障壁層を挟み込む。本実施形態の光検出素子の電子障壁層は、電子障壁層の積層途中に、電子障壁層の半導体組成よりも格子定数が長く狭バンドギャップの半導体組成からなる量子ドットを自己形成させることによって構成できる。本実施形態の光検出素子によれば、量子ドットを含む電子障壁層によって、電子の透過率を低下させることができるため、暗電流を効率的に抑制できる。 As described above, in the photodetector of this embodiment, an electron barrier layer containing quantum dots is sandwiched between the contact layer and the light-receiving layer. The electron barrier layer of the photodetector of the present embodiment is configured by self-forming quantum dots made of a semiconductor composition having a longer lattice constant and a narrower bandgap than the semiconductor composition of the electron barrier layer in the middle of stacking the electron barrier layers. can. According to the photodetector of this embodiment, the electron barrier layer containing the quantum dots can reduce the electron transmittance, so that the dark current can be efficiently suppressed.

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光検出素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、タイプ１超格子構造を有する電子障壁層の内部に量子ドットが含まれる点で第１の実施形態とは異なる。以下において、第１の実施形態の光検出素子１０と同様の構成・機能については説明を省略する場合がある。(Second embodiment)
Next, a photodetector according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The photodetector of this embodiment differs from that of the first embodiment in that quantum dots are included inside an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure. In the following, descriptions of the same configurations and functions as those of the photodetector 10 of the first embodiment may be omitted.

図７は、本実施形態の光検出素子２０の構成の一例を示す模式図である。図７のように、光検出素子２０は、基板２１、バッファ層２２、第１コンタクト層２３、電子障壁層２４、受光層２５、および第２コンタクト層２６を備える。なお、図７は、光検出素子２０の構成を概念的に示すものであり、各構成の縮尺を正確に表していない。 FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the photodetector 20 of this embodiment. As shown in FIG. 7, the photodetector 20 includes a substrate 21, a buffer layer 22, a first contact layer 23, an electron barrier layer 24, an absorption layer 25, and a second contact layer . Note that FIG. 7 conceptually shows the configuration of the photodetector 20, and does not accurately represent the scale of each configuration.

基板２１は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板２１は、第１の実施形態の基板１１と同様である。 The substrate 21 is a substrate for forming an infrared detection structure. The substrate 21 is similar to the substrate 11 of the first embodiment.

バッファ層２２は、基板２１の上面に形成される。バッファ層２２は、第１の実施形態のバッファ層１２と同様である。 A buffer layer 22 is formed on the top surface of the substrate 21 . The buffer layer 22 is similar to the buffer layer 12 of the first embodiment.

第１コンタクト層２３は、バッファ層２２の上面に形成される。第１コンタクト層２３は、第１の実施形態の第１コンタクト層１３と同様である。 A first contact layer 23 is formed on the upper surface of the buffer layer 22 . The first contact layer 23 is the same as the first contact layer 13 of the first embodiment.

電子障壁層２４は、第１コンタクト層２３の上面に積層される。電子障壁層２４は、量子ドットを含むタイプ１超格子構造を有する。タイプ１超格子構造は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される層によって、第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される層を挟み込んだ構造を有する。タイプ１超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に同じである。電子障壁層２４に含まれるタイプ１超格子構造は、少なくとも２種類の層を短周期で交互に積層させた構造を有する。以下においては、２種類の層を交互に積層したタイプ１超格子構造を含む電子障壁層２４を例に挙げて説明する。なお、電子障壁層２４は、３種類以上の層を組み合わせて構成してもよい。 The electron barrier layer 24 is laminated on the top surface of the first contact layer 23 . Electron barrier layer 24 has a Type 1 superlattice structure containing quantum dots. A type 1 superlattice structure is a structure in which a layer composed of a semiconductor composition having a second bandgap narrower than the first bandgap is sandwiched between layers composed of a semiconductor composition having a first bandgap. have. In a Type 1 superlattice structure, the locations where electrons and holes are confined are spatially the same. The type 1 superlattice structure included in the electron barrier layer 24 has a structure in which at least two types of layers are alternately laminated at short intervals. In the following, an electron barrier layer 24 including a type 1 superlattice structure in which two types of layers are alternately laminated will be described as an example. Note that the electron barrier layer 24 may be configured by combining three or more types of layers.

図８は、電子障壁層２４の構成の一例を示す概念図である。図８のように、電子障壁層２４は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第１障壁層２４１と、第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第２障壁層２４２とを交互に積層したタイプ１超格子構造を有する。量子ドット２４５は、第１障壁層２４１の上面に形成され、第２障壁層２４２（井戸層に相当）の内部に埋め込まれる。量子ドット２４５は、第２障壁層２４２よりも狭い第３のバンドギャップを有する。量子ドット２４５は、電子障壁層２４の結晶成長の途中で、第１障壁層２４１の材料よりも格子定数の大きい半導体組成を数分子層積層した際に、界面の歪みが解消されるように自然形成される。なお、量子ドット２４５は、第２障壁層の内部のいずれに形成させていてもよいが、本実施形態では第１障壁層２４１の成長直後に形成する例を示す。 FIG. 8 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the electron barrier layer 24. As shown in FIG. As shown in FIG. 8, the electron barrier layer 24 includes a first barrier layer 241 composed of a semiconductor composition having a first bandgap and a second barrier layer 242 composed of a semiconductor composition having a second bandgap. It has a type 1 superlattice structure in which . The quantum dots 245 are formed on the upper surface of the first barrier layer 241 and embedded inside the second barrier layer 242 (corresponding to the well layer). Quantum dots 245 have a third bandgap that is narrower than second barrier layer 242 . The quantum dots 245 are formed naturally so that distortion at the interface is eliminated when several molecular layers of a semiconductor composition having a lattice constant larger than that of the material of the first barrier layer 241 are stacked in the middle of the crystal growth of the electron barrier layer 24 . It is formed. Although the quantum dots 245 may be formed anywhere inside the second barrier layer, this embodiment shows an example in which they are formed immediately after the growth of the first barrier layer 241 .

量子ドット２４５には、第１の実施形態と同様に、ＩｎＳｂやＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ等を用いることができる。以下においては、ＡｌＡｓＳｂを第１障壁層２４１とし、ＧａＡｓＳｂを第２障壁層２４２とするＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ超格子をタイプ１超格子構造として含む電子障壁層２４を例に挙げる。 InSb, InGaSb, InAsSb, or the like can be used for the quantum dots 245 as in the first embodiment. In the following, an electron barrier layer 24 including an AlAsSb/GaAsSb superlattice having a first barrier layer 241 of AlAsSb and a second barrier layer 242 of GaAsSb as a type 1 superlattice structure will be taken as an example.

例えば、基板２１としてＩｎＰ基板を用い、受光層２５としてタイプ２超格子構造のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ0.55Ｓｂ超格子を用いる場合、それらの層と格子整合するＡｌＡｓ0.55Ｓｂ／ＧａＡｓ0.55Ｓｂ超格子を電子障壁層２４として用いることができる。第１障壁層２４１（ＡｌＡｓＳｂ）の成長直後にＩｎＡｓ0.26Ｓｂを薄く積層すると、ＩｎＡｓＳｂによって構成される量子ドット２４５が自己形成する。その後、量子ドット２４５が形成された第１障壁層２４１（ＡｌＡｓＳｂ）の上面に第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）を積層させることによって、量子ドット２４５（ＩｎＡｓＳｂ）を内包する第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）を形成できる。For example, when an InP substrate is used as the substrate 21 and an InGaAs/GaAs 0.55 Sb superlattice having a type 2 superlattice structure is used as the light-receiving layer 25, an AlAs 0.55 Sb/GaAs 0.55 Sb superlattice lattice-matched to these layers is used as an electron barrier. It can be used as layer 24 . When InAs 0.26 Sb is thinly laminated immediately after the growth of the first barrier layer 241 (AlAsSb), quantum dots 245 composed of InAsSb are self-formed. After that, a second barrier layer (GaAsSb) is laminated on the upper surface of the first barrier layer 241 (AlAsSb) on which the quantum dots 245 are formed, thereby forming a second barrier layer (GaAsSb) containing the quantum dots 245 (InAsSb). can be formed.

例えば、第２障壁層２４２としてＧａＡｓ0.55Ｓｂを用いる場合、ＩｎＡａ0.26Ｓｂを量子ドット２４５として構成できる。ＩｎＡａＳｂのＡｓ比率が０．２６の場合、ＧａＡｓ0.55ＳｂとＩｎＡｓＳｂの価電子帯端が一致する。ＩｎＡａ0.26ＳｂとＧａＡｓ0.55Ｓｂの価電子帯端が一致すると、正孔に対しては、第２障壁層２４２と量子ドット２４５とが等ポテンシャルになる。そのため、正孔に対しては、量子ドット２４５中に量子準位が形成されず、受光層２５がタイプ２超格子構造を有する場合、電子障壁層２４の正孔ミニバンドと受光層２５の正孔ミニバンドとを連続的に形成することができる。For example, when GaAs 0.55 Sb is used as the second barrier layer 242 , InAa 0.26 Sb can be configured as the quantum dots 245 . When the As ratio of InAaSb is 0.26, the valence band edges of GaAs 0.55 Sb and InAsSb coincide. When the valence band edges of InAa 0.26 Sb and GaAs 0.55 Sb match, the second barrier layer 242 and the quantum dots 245 are equipotential to holes. Therefore, for holes, no quantum level is formed in the quantum dots 245, and when the light-receiving layer 25 has a type 2 superlattice structure, the hole miniband of the electron barrier layer 24 and the positive light-receiving layer 25 Pore minibands can be formed continuously.

一方、ＩｎＡｓ0.26ＳｂはＧａＡｓ0.55Ｓｂよりも深いポテンシャルの井戸となるため、電子に対しては量子準位が形成される。電子障壁層２４の内部を透過しようとする電子のうち、量子準位に合致したエネルギーの電子のみが、量子ドット２４５を介した伝導に寄与する。その結果、電子障壁層２４の電子透過率が低下し、暗電流が抑制される。On the other hand, InAs 0.26 Sb forms a deeper potential well than GaAs 0.55 Sb, so a quantum level is formed for electrons. Of the electrons trying to pass through the electron barrier layer 24 , only electrons with energy matching the quantum level contribute to conduction through the quantum dots 245 . As a result, the electron transmittance of the electron barrier layer 24 is lowered and the dark current is suppressed.

例えば、電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造の格子定数は、基板２１を構成する材料の格子定数と整合させることが好ましい。基板２１をＩｎＰで構成する場合、電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造の格子定数は、ＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と整合させる。電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造と、基板２１を構成する材料とが格子整合する条件（格子整合条件）は、電子障壁層２４と基板２１の半導体組成の格子定数の差が１パーセント以下であることが好ましい。また、電子障壁層２４と基板２１の半導体組成の格子定数の差は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。 For example, the lattice constant of the type 1 superlattice structure forming the electron barrier layer 24 is preferably matched with the lattice constant of the material forming the substrate 21 . When the substrate 21 is composed of InP, the lattice constant of the type 1 superlattice structure constituting the electron barrier layer 24 is matched with the lattice constant of InP (5.8686 angstroms). The condition under which the type 1 superlattice structure constituting the electron barrier layer 24 and the material constituting the substrate 21 are lattice-matched (lattice matching condition) is that the difference in the lattice constants of the semiconductor compositions of the electron barrier layer 24 and the substrate 21 is 1. Percent or less is preferred. Further, the difference in lattice constant of the semiconductor composition between the electron barrier layer 24 and the substrate 21 is more preferably 0.5% or less, more preferably 0.2% or less.

例えば、電子障壁層２４を構成するタイプ１超格子構造には、基板２１と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、基板２１としてＩｎＰ基板を用いる場合、電子障壁層２４には、基板２１に含まれるリン（Ｐ）が含まれてもよい。 For example, the type 1 superlattice structure forming the electron barrier layer 24 may contain other semiconductor compositions as long as they are lattice-matched to the substrate 21 . For example, when an InP substrate is used as the substrate 21 , the electron barrier layer 24 may contain phosphorus (P) contained in the substrate 21 .

電子障壁層２４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＡｓ比率は、基板２１と格子整合する条件であればどのような値でも構わない。例えば、電子障壁層２４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＡｓ比率は０．５５に設定できる。 The As ratio in the second barrier layer (GaAsSb) of the electron barrier layer 24 may be any value as long as it is lattice-matched with the substrate 21 . For example, the As ratio in the second barrier layer (GaAsSb) of the electron barrier layer 24 can be set to 0.55.

一方、電子障壁層２４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）のＡｓ比率は、０．５６付近が最適値である。なぜならば、ＡｌＡｓの格子定数（５．６６０５オングストローム）とＡｌＳｂの格子定数（６．１３５５オングストローム）とを線形補間すると、Ａｓ比率が０．５６付近でＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と一致するからである。ＡｌＡｓ0.55Ｓｂは、ＩｎＰとの格子定数の差が約０．１パーセントと見積もられ、上述した格子整合条件のうちで最も好ましい格子整合条件（０．２パーセント以下）を満たす。なお、電子障壁層１４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）のＡｓ比率は０．５５に限定されない。On the other hand, the optimum As ratio of the first barrier layer (AlAsSb) of the electron barrier layer 24 is around 0.56. This is because the lattice constant of AlAs (5.6605 angstroms) and the lattice constant of AlSb (6.1355 angstroms) are linearly interpolated to match the lattice constant of InP (5.8686 angstroms) when the As ratio is around 0.56. Because it does. AlAs 0.55 Sb is estimated to have a lattice constant difference of about 0.1 percent from InP, which satisfies the most preferable lattice matching condition (0.2 percent or less) among the lattice matching conditions described above. Note that the As ratio of the first barrier layer (AlAsSb) of the electron barrier layer 14 is not limited to 0.55.

図９は、図８に示すＢ－Ｂ線（点線）で切断した断面におけるバンド構造の一例を示す概念図である。量子ドット２４５が狭バンドギャップであるため、量子ドット２４５内には離散化準位（量子ドット準位とも呼ぶ）が形成される。電子障壁層２４を透過しようとする電子のうち、量子ドット２４５内の離散化準位に合致したエネルギーの電子のみが量子ドット２４５を介した伝導に寄与する。すなわち、本実施形態の光検出素子２０においては、電子障壁層２４の内部における電子の透過率を低下させ、暗電流を抑制する。 FIG. 9 is a conceptual diagram showing an example of a band structure in a cross section taken along line BB (dotted line) shown in FIG. Since the quantum dot 245 has a narrow bandgap, a discretized level (also called a quantum dot level) is formed within the quantum dot 245 . Of the electrons trying to pass through the electron barrier layer 24 , only electrons with energy matching the discretized level in the quantum dots 245 contribute to conduction through the quantum dots 245 . That is, in the photodetector 20 of the present embodiment, the electron transmittance inside the electron barrier layer 24 is reduced to suppress the dark current.

受光層２５は、電子障壁層２４の上面に積層される。受光層２５は、第１の実施形態の受光層１５と同様である。 The absorption layer 25 is laminated on the upper surface of the electron barrier layer 24 . The light-receiving layer 25 is the same as the light-receiving layer 15 of the first embodiment.

第２コンタクト層２６は、受光層２５の上面に積層される。第２コンタクト層２６は、第１の実施形態の第２コンタクト層１６と同様である。 The second contact layer 26 is laminated on the upper surface of the absorption layer 25 . The second contact layer 26 is similar to the second contact layer 16 of the first embodiment.

以上が、本実施形態の光検出素子２０の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子２０の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子２０の構成を限定するものではない。 The above is the description of the configuration of the photodetector element 20 of the present embodiment. The configuration of the photodetector element 20 described above is an example, and does not limit the configuration of the photodetector element 20 of the present embodiment.

〔製造方法〕
次に、光検出素子２０の製造方法について図面を参照しながら説明する。図１０は、光検出素子２０の製造方法について説明するためのフローチャートである。〔Production method〕
Next, a method for manufacturing the photodetector 20 will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a flow chart for explaining the method of manufacturing the photodetector 20. As shown in FIG.

図１０において、まず、基板２１の上面にバッファ層２２を積層する（ステップＳ２１）。 In FIG. 10, first, the buffer layer 22 is laminated on the upper surface of the substrate 21 (step S21).

次に、バッファ層２２の上面に第１コンタクト層２３を積層する（ステップＳ２２）。第１コンタクト層２３の組成は、バッファ層２２と同じでもよいし、バッファ層２２と格子整合する他の半導体組成であってもよい。 Next, the first contact layer 23 is laminated on the upper surface of the buffer layer 22 (step S22). The composition of the first contact layer 23 may be the same as that of the buffer layer 22 or may be another semiconductor composition lattice-matched with the buffer layer 22 .

次に、第１コンタクト層１３の上面に第１障壁層２４１を積層する（ステップＳ２３）。 Next, the first barrier layer 241 is laminated on the upper surface of the first contact layer 13 (step S23).

次に、第１障壁層２４１の上面に量子ドット２４５を形成する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４においては、第１障壁層２４１の上面に、量子ドット２４５の材料層を薄く積層する。第１障壁層２４１と量子ドット２４５の材料の格子定数の差が大きいと、量子ドット２４５の材料層の歪みを解消するように、Ｓ－Ｋ成長モードによって量子ドット２４５が自己形成される。例えば、第１障壁層２４１としてＡｌＡｓ0.55Ｓｂを積層し、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂの上面にＩｎＡｓ0.26Ｓｂを薄く積層すると、格子定数が８．５パーセント異なるため、Ｓ－Ｋ成長モードによってＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット２４５が自己形成する。Next, quantum dots 245 are formed on the upper surface of the first barrier layer 241 (step S24). In step S<b>24 , a thin layer of material for the quantum dots 245 is laminated on the upper surface of the first barrier layer 241 . If the lattice constant difference between the materials of the first barrier layer 241 and the quantum dots 245 is large, the quantum dots 245 will self-form by the SK growth mode so as to overcome the strain of the material layer of the quantum dots 245 . For example, when AlAs 0.55 Sb is laminated as the first barrier layer 241 and InAs 0.26 Sb is thinly laminated on the upper surface of AlAs 0.55 Sb, the lattice constant differs by 8.5% . Dots 245 self-form.

第１障壁層２４１の上面に量子ドット２４５を形成する際には、フラックスを変更する。例えば、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂを第１障壁層２４１として積層している途中で、ＩｎＡｓ0.26Ｓｂの量子ドット２４５を形成する際には、Ａｓ比率を０．５５から０．２６に変更し、Ｓｂ比率を０．４５から０．７４に変更する。そのため、例えば、分子線エピタキシー法を用いて量子ドット２４５を形成する際には、フラックスを変更するためにセル温度を変える。When forming the quantum dots 245 on the upper surface of the first barrier layer 241, the flux is changed. For example, when forming the quantum dots 245 of InAs 0.26 Sb while laminating AlAs 0.55 Sb as the first barrier layer 241, the As ratio is changed from 0.55 to 0.26 and the Sb ratio is changed to Change from 0.45 to 0.74. Therefore, for example, when forming the quantum dots 245 using molecular beam epitaxy, the cell temperature is changed to change the flux.

次に、量子ドット２４５を形成した第１障壁層２４１の上面に第２障壁層２４２を積層し、第２障壁層２４２の内部に量子ドット２４５を埋め込む（ステップＳ２５）。 Next, a second barrier layer 242 is laminated on the upper surface of the first barrier layer 241 with the quantum dots 245 formed therein, and the quantum dots 245 are embedded inside the second barrier layer 242 (step S25).

次に、第２障壁層２４２の上面に第１障壁層２４１を積層する（ステップＳ２６）。 Next, the first barrier layer 241 is laminated on the upper surface of the second barrier layer 242 (step S26).

電子障壁層２４が完成していない場合（ステップＳ２７でＮｏ）、ステップＳ２４に戻り、第１障壁層２４１の上面に量子ドット２４５を形成する（ステップＳ２４）。 If the electron barrier layer 24 is not completed (No in step S27), the process returns to step S24 to form the quantum dots 245 on the upper surface of the first barrier layer 241 (step S24).

一方、電子障壁層２４が完成した場合（ステップＳ２７でＹｅｓ）、電子障壁層２４の上面に受光層２５を積層する（ステップＳ２８）。 On the other hand, when the electron barrier layer 24 is completed (Yes in step S27), the absorption layer 25 is laminated on the upper surface of the electron barrier layer 24 (step S28).

そして、受光層２５の上面に第２コンタクト層２６を積層する（ステップＳ２９）。 Then, the second contact layer 26 is laminated on the upper surface of the absorption layer 25 (step S29).

以上が、本実施形態の光検出素子２０の製造方法についての説明である。光検出素子２０の製造方法においては、電子障壁層２４を積層する際に、第１障壁層２４１を積層する工程と、第１障壁層２４１の表面に量子ドット２４５を形成する工程と、第２障壁層２４２の内部に量子ドット２４５を埋め込む工程とを繰り返す。なお、図１０のフローチャートに沿った光検出素子２０の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子２０の製造方法を限定するものではない。 The above is the description of the method for manufacturing the photodetector element 20 of the present embodiment. In the method for manufacturing the photodetector 20, when stacking the electron barrier layer 24, the steps of stacking the first barrier layer 241, forming the quantum dots 245 on the surface of the first barrier layer 241, and forming the second The step of embedding the quantum dots 245 inside the barrier layer 242 is repeated. The method for manufacturing the photodetector 20 according to the flowchart of FIG. 10 is an example, and does not limit the method for manufacturing the photodetector 20 of this embodiment.

以上のように、本実施形態の光検出素子は、コンタクト層と受光層との間に、量子ドットを含むタイプ１超格子構造の電子障壁層を挟み込む。本実施形態の光検出素子の電子障壁層は、タイプ１超格子構造の電子障壁層を構成する第２障壁層の内部に、第１障壁層および第２障壁層の半導体組成よりも格子定数が長く狭バンドギャップの半導体組成からなる量子ドットを自己形成させることによって構成できる。 As described above, in the photodetector of the present embodiment, an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure containing quantum dots is sandwiched between the contact layer and the absorption layer. In the electron barrier layer of the photodetector of the present embodiment, the lattice constant inside the second barrier layer constituting the electron barrier layer of the type 1 superlattice structure is higher than the semiconductor composition of the first barrier layer and the second barrier layer. It can be constructed by self-forming quantum dots of long, narrow bandgap semiconductor compositions.

例えば、電子障壁層は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第１障壁層と、第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有する。第２障壁層は、第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ第１障壁層および第２障壁層の半導体組成よりも格子定数が大きい半導体組成の量子ドットを含む。例えば、電子障壁層は、第１障壁層の上面に自己形成された量子ドットを含む。 For example, the electron barrier layer includes a first barrier layer composed of a semiconductor composition having a first bandgap and a second barrier layer composed of a semiconductor composition having a second bandgap narrower than the first bandgap. It has a Type 1 superlattice structure in which pairs of layers are stacked. The second barrier layer includes quantum dots of a semiconductor composition having a third bandgap narrower than the second bandgap and a lattice constant larger than those of the semiconductor compositions of the first and second barrier layers. For example, the electron barrier layer includes self-assembled quantum dots on top of the first barrier layer.

例えば、受光層は、第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有する。例えば、量子ドットと第２障壁層の価電子帯が一致し、受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する。 For example, the absorption layer has a type 2 superlattice structure in which a pair of a first absorption layer and a second absorption layer are stacked. For example, the valence bands of the quantum dots and the second barrier layer match, and either the valence band edge or the hole miniband of the absorption layer substantially matches the hole miniband of the electron barrier layer.

例えば、受光層は、第１受光層の半導体組成がＩｎＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成がＧａＡｓＳｂを含む。例えば、受光層は、第１受光層の半導体組成がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む。例えば、電子障壁層は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓＳｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓＳｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓＳｂを含む。例えば、電子障壁層は、第１障壁層と第２障壁層の半導体組成のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい。なお、Ｖ族元素とは、元素周期表の第１５族に属する元素の総称である。例えば、ＡｓやＳｂ、Ｐ等が代表的なＶ族元素である。例えば、電子障壁層は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む。For example, in the absorption layer, the semiconductor composition of the first absorption layer contains InGaAs, and the semiconductor composition of the second absorption layer contains GaAsSb. For example, in the absorption layer, the semiconductor composition of the first absorption layer contains In 0.52 GaAs, and the semiconductor composition of the second absorption layer contains GaAs 0.55 Sb. For example, in the electron barrier layer, the semiconductor composition of the first barrier layer contains AlAsSb, the semiconductor composition of the second barrier layer contains GaAsSb, and the semiconductor composition of the quantum dots contains InAsSb. For example, the electron barrier layer has the same ratio of As in the group V elements of the semiconductor composition of the first barrier layer and the second barrier layer. The group V element is a general term for elements belonging to group 15 of the periodic table. For example, As, Sb, P, etc. are typical group V elements. For example, in the electron barrier layer, the semiconductor composition of the first barrier layer includes AlAs 0.55 Sb, the semiconductor composition of the second barrier layer includes GaAs 0.55 Sb, and the semiconductor composition of the quantum dots includes InAs 0.26 Sb.

本実施形態の光検出素子によれば、タイプ１超格子構造の電子障壁層に量子ドットが含まれるため、第１の実施形態と比べて、電子障壁層における電子の透過率を低下させ、暗電流をさらに抑制できる。 According to the photodetector of the present embodiment, since the electron barrier layer of the type 1 superlattice structure contains quantum dots, the electron transmittance in the electron barrier layer is reduced compared to the first embodiment. Current can be further suppressed.

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光検出素子３０について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子３０は、第１の実施形態の光検出素子１０や第２の実施形態の光検出素子２０を上位概念化した構成である。(Third embodiment)
Next, a photodetector element 30 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The photodetector element 30 of the present embodiment is a configuration in which the photodetector element 10 of the first embodiment and the photodetector element 20 of the second embodiment are generalized.

図１１は、本実施形態の光検出素子３０の構成の一例を示す概念図である。図１１のように、光検出素子３０は、基板３１、電子障壁層３４、および受光層３５を備える。 FIG. 11 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the photodetector element 30 of this embodiment. As shown in FIG. 11, the photodetector 30 includes a substrate 31, an electron barrier layer 34, and an absorption layer 35. As shown in FIG.

基板３１は、赤外線検出構造を形成するための基板である。基板３１は、第１の実施形態の基板１１と同様である。 The substrate 31 is a substrate for forming an infrared detection structure. The substrate 31 is similar to the substrate 11 of the first embodiment.

電子障壁層３４は、受光層３５に接して形成され、複数の量子ドット３４５を含む。電子障壁層３４の基材と量子ドット３４５を構成する半導体組成は、格子定数が異なる。電子障壁層３４は、第１の実施形態の電子障壁層１４または第２の実施形態の電子障壁層２４と同様である。 The electron barrier layer 34 is formed in contact with the absorption layer 35 and includes multiple quantum dots 345 . The base material of the electron barrier layer 34 and the semiconductor composition forming the quantum dots 345 have different lattice constants. The electron barrier layer 34 is similar to the electron barrier layer 14 of the first embodiment or the electron barrier layer 24 of the second embodiment.

例えば、電子障壁層３４は、複数の量子ドット３４５が埋め込まれたバルク半導体を含む。バルク半導体よりも量子ドット３４５の半導体組成の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい。 For example, electron barrier layer 34 comprises a bulk semiconductor with a plurality of quantum dots 345 embedded therein. The semiconductor composition of the quantum dots 345 has a narrower bandgap and a larger lattice constant than the bulk semiconductor.

例えば、バルク半導体は、ＡｌＧａＳｂの半導体組成で構成され、量子ドット３４５は、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、およびＩｎＡｓＳｂから成る群より選ばれる半導体組成で構成される。 For example, the bulk semiconductor is composed of a semiconductor composition of AlGaSb, and the quantum dots 345 are composed of a semiconductor composition selected from the group consisting of InSb, InGaSb, and InAsSb.

例えば、電子障壁層３４は、複数の量子ドット３４５が埋め込まれたタイプ１超格子構造によって構成される。例えば、電子障壁層３４は、第１のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第１障壁層と、第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体組成によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有する。例えば、第２障壁層は、第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ第２障壁層の半導体組成よりも格子定数が大きい半導体組成の量子ドット３４５を含む。例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層の上面に自己形成された量子ドット３４５を含む。 For example, the electron barrier layer 34 is composed of a Type 1 superlattice structure in which a plurality of quantum dots 345 are embedded. For example, the electron barrier layer 34 includes a first barrier layer composed of a semiconductor composition having a first bandgap and a second barrier layer composed of a semiconductor composition having a second bandgap narrower than the first bandgap. It has a type 1 superlattice structure in which pairs with barrier layers are stacked. For example, the second barrier layer includes quantum dots 345 of a semiconductor composition having a third bandgap narrower than the second bandgap and a lattice constant greater than the semiconductor composition of the second barrier layer. For example, the electron barrier layer 34 includes self-formed quantum dots 345 on top of the first barrier layer.

例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓＳｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓＳｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓＳｂを含む。例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層と第２障壁層の半導体組成のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい。 For example, in the electron barrier layer 34, the semiconductor composition of the first barrier layer contains AlAsSb, the semiconductor composition of the second barrier layer contains GaAsSb, and the semiconductor composition of the quantum dots contains InAsSb. For example, the electron barrier layer 34 has the same ratio of As in the group V elements of the semiconductor compositions of the first barrier layer and the second barrier layer.

受光層３５は、基板３１の上方に形成され、電子障壁層３４に接して形成される。受光層３５は、第１の実施形態の受光層１５と同様である。なお、受光層３５は、基板３１の上面に接していなくてもよく、図示しないバッファ層やコンタクト層を挟んで、基板３１の上方に形成される。 The absorption layer 35 is formed above the substrate 31 and is formed in contact with the electron barrier layer 34 . The light-receiving layer 35 is the same as the light-receiving layer 15 of the first embodiment. The light receiving layer 35 does not have to be in contact with the upper surface of the substrate 31, and is formed above the substrate 31 with a buffer layer and a contact layer (not shown) interposed therebetween.

例えば、受光層３５は、互いにバンドギャップの異なる第１受光層と第２受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する。 For example, the light-receiving layer 35 has a superlattice structure in which a pair of a first light-receiving layer and a second light-receiving layer having different bandgaps are stacked.

例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層の半導体組成がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、第２障壁層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、量子ドットの半導体組成がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む。例えば、受光層３５は、第１受光層の半導体組成がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、第２受光層の半導体組成がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む。For example, in the electron barrier layer 34, the semiconductor composition of the first barrier layer includes AlAs0.55Sb , the semiconductor composition of the second barrier layer includes GaAs0.55Sb , and the semiconductor composition of the quantum dots includes InAs0.26Sb . For example, in the absorption layer 35, the semiconductor composition of the first absorption layer contains In0.52GaAs , and the semiconductor composition of the second absorption layer contains GaAs0.55Sb .

例えば、電子障壁層３４および受光層３５のうち少なくとも一方がＰを含む。 For example, at least one of the electron barrier layer 34 and the absorption layer 35 contains P.

例えば、光検出素子３０は、電子障壁層３４および受光層３５を挟み込む２つのコンタクト層を備え、２つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がｎ型ドーパントを含む。例えば、光検出素子３０は、２つのコンタクト層のいずれかと基板３１との間に、基板３１と同一材料によって構成され、基板３１の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える。 For example, the photodetector 30 includes two contact layers sandwiching an electron barrier layer 34 and a light-receiving layer 35, at least one of the two contact layers containing an n-type dopant. For example, the photodetector 30 includes a buffer layer made of the same material as the substrate 31 and crystal-grown along the plane orientation of the substrate 31 between one of the two contact layers and the substrate 31 .

本実施形態の光検出素子によれば、第１および第２の実施形態と同様に、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供できる。 According to the photodetector of this embodiment, as in the first and second embodiments, it is possible to provide a photodetector in which the generation of dark current is suppressed.

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出装置（赤外線カメラとも呼ぶ）について図面を参照しながら説明する。本実施形態の赤外線検出装置は、第１～第３の実施形態のいずれかの光検出素子を備える。(Fourth embodiment)
Next, an infrared detection device (also called an infrared camera) according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The infrared detection device of this embodiment includes the photodetection element of any one of the first to third embodiments.

図１２は、本実施形態の赤外線検出装置４０の構成の一例を示す概念図である。図１２のように、赤外線検出装置４０は、赤外線光学系４１、赤外線検出素子４２、読み出し回路４３、および出力回路４４を備える。 FIG. 12 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the infrared detection device 40 of this embodiment. As shown in FIG. 12, the infrared detection device 40 includes an infrared optical system 41, an infrared detection element 42, a readout circuit 43, and an output circuit 44.

赤外線光学系４１は、赤外線検出素子４２の受光部に赤外光を集光するレンズを含む。赤外線光学系４１は、少なくとも１枚のレンズを含む。赤外線光学系４１のレンズは、赤外光の透過率が高く、赤外線検出素子４２の受光面に赤外光を屈折させる材料で構成される。例えば、赤外線光学系４１のレンズの材料には、ゲルマニウムやシリコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、カルコゲナイドガラスなどを適用できる。赤外線光学系４１のレンズは、検出対象の赤外光の波長によって選択すればよい。なお、赤外線光学系４１は、特定の波長領域の光を遮蔽したり、透過させたりするフィルタを含んでもよい。また、赤外線光学系４１は、赤外線検出素子４２の受光部に赤外光が導光されるための反射鏡や、赤外線の光量を制御するための絞りを含んでもよい。 The infrared optical system 41 includes a lens that collects infrared light on the light receiving portion of the infrared detection element 42 . Infrared optical system 41 includes at least one lens. The lens of the infrared optical system 41 is made of a material that has a high infrared transmittance and refracts the infrared light to the light receiving surface of the infrared detection element 42 . For example, germanium, silicon, zinc sulfide, zinc selenide, chalcogenide glass, or the like can be applied to the lens material of the infrared optical system 41 . The lens of the infrared optical system 41 may be selected according to the wavelength of the infrared light to be detected. The infrared optical system 41 may include a filter that blocks or transmits light in a specific wavelength range. The infrared optical system 41 may also include a reflecting mirror for guiding infrared light to the light receiving portion of the infrared detecting element 42 and an aperture for controlling the amount of infrared light.

赤外線検出素子４２は、第１～第３の実施形態の光検出素子をアレイ状に加工することによって形成された赤外光検出構造を有する。言い換えると、赤外線検出素子４２は、所望の赤外線に対する透過率の高い基板上に、例えばタイプ２超格子構造の受光層と、タイプ１超格子構造の電子障壁層とを積層した検出単位がアレイ状に配列された構造を有する。アレイ状に加工された赤外線検出素子４２の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが独立して赤外線を検知する。アレイ状に加工された赤外線検出素子４２の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが赤外画像の画素に対応する。 The infrared detection element 42 has an infrared light detection structure formed by processing the photodetection elements of the first to third embodiments into an array. In other words, the infrared detection element 42 has an array of detection units in which, for example, a light receiving layer having a type 2 superlattice structure and an electron barrier layer having a type 1 superlattice structure are laminated on a substrate having a high transmittance to desired infrared rays. has a structure that is arranged in Each of the plurality of detection units constituting the infrared light detection structure of the infrared detection element 42 processed in an array independently detects infrared rays. Each of a plurality of detection units constituting the infrared light detection structure of the infrared detection element 42 processed into an array corresponds to a pixel of an infrared image.

読み出し回路４３は、赤外線検出素子４２に接続される。例えば、読み出し回路４３は、図６のように、赤外線検出素子４２とフリップチップ接合される。赤外線検出素子４２と読み出し回路４３とによって、赤外線センサアレイが構成される。読み出し回路４３は、赤外線検出素子４２によって検出される赤外線を赤外線検出素子４２の検出単位（画素）ごとに読み出す。 A readout circuit 43 is connected to the infrared detection element 42 . For example, the readout circuit 43 is flip-chip bonded to the infrared detection element 42 as shown in FIG. An infrared sensor array is configured by the infrared detection element 42 and the readout circuit 43 . The readout circuit 43 reads the infrared rays detected by the infrared detection element 42 for each detection unit (pixel) of the infrared detection element 42 .

出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号を出力する。例えば、出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号を外部のシステムに出力する。例えば、出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号から赤外画像を生成し、生成した赤外画像を自装置に設置されたモニターに表示させてもよい。 The output circuit 44 outputs a signal based on the infrared light detected by the readout circuit 43 . For example, the output circuit 44 outputs a signal based on infrared light detected by the readout circuit 43 to an external system. For example, the output circuit 44 may generate an infrared image from a signal based on the infrared light detected by the readout circuit 43, and display the generated infrared image on a monitor installed in the device itself.

赤外線検出装置４０は、赤外線検出素子４２を冷却する冷却装置を含んでもよい。例えば、赤外線検出素子４２を冷却する冷却装置にはペルチェ素子などを用いることができる。赤外線検出素子４２を低温に冷却すれば、熱雑音を低減できるため感度が向上する。また、赤外線検出素子４２を低温に冷却すれば、赤外光に対する応答速度を維持できる。 The infrared detection device 40 may include a cooling device that cools the infrared detection element 42 . For example, a Peltier element or the like can be used as a cooling device for cooling the infrared detection element 42 . By cooling the infrared detection element 42 to a low temperature, the thermal noise can be reduced and the sensitivity is improved. Further, by cooling the infrared detection element 42 to a low temperature, the response speed to infrared light can be maintained.

以上のように、本実施形態によれば、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を搭載する赤外線カメラを提供できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide an infrared camera equipped with a photodetector that has high sensitivity to infrared rays in a desired wavelength range and suppresses the generation of dark current.

以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention that can be understood by those skilled in the art.

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
基板と、
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なる光検出素子。
（付記２）
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたバルク半導体を含み、
前記バルク半導体よりも前記量子ドットの半導体の方が、狭いバンドギャップを有し、かつ格子定数が大きい付記１に記載の光検出素子。
（付記３）
前記バルク半導体は、
ＡｌＧａＳｂの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、およびＩｎＡｓＳｂから成る群より選ばれる半導体で構成される付記２に記載の光検出素子。
（付記４）
前記バルク半導体は、
ＡｌＧａＳｂの半導体で構成され、
前記量子ドットは、
ＩｎＡｓＳｂの半導体で構成される付記２に記載の光検出素子。
（付記５）
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれたタイプ１超格子構造によって構成される付記１に記載の光検出素子。
（付記６）
前記電子障壁層は、
第１のバンドギャップを有する半導体によって構成される第１障壁層と、前記第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有し、
前記第２障壁層は、
前記第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ前記第１障壁層および前記第２障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む付記５に記載の光検出素子。
（付記７）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む付記６に記載の光検出素子。
（付記８）
前記受光層は、
互いにバンドギャップの異なる第１受光層と第２受光層とのペアを積層させた超格子構造を有する付記１乃至７のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記９）
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第２障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する付記６または７に記載の光検出素子。
（付記１０）
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓＳｂを含む付記９に記載の光検出素子。
（付記１１）
前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎ0.52ＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含む付記９に記載の光検出素子。
（付記１２）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓＳｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓＳｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓＳｂを含む付記９乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１３）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層と前記第２障壁層の半導体のＶ族元素中におけるＡｓの比率が等しい付記１２に記載の光検出素子。
（付記１４）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓ0.55Ｓｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓ0.55Ｓｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓ0.26Ｓｂを含む付記９乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１５）
前記電子障壁層および前記受光層のうち少なくとも一方がＰを含む付記１乃至１４のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１６）
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む２つのコンタクト層を備え、
２つの前記コンタクト層のうち少なくとも一方がｎ型ドーパントを含む付記１乃至１５のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１７）
２つの前記コンタクト層のいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板の面方位に倣って結晶成長したバッファ層を備える付記１６に記載の光検出素子。
（付記１８）
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する付記１乃至１７のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１９）
付記１８に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。Some or all of the above-described embodiments can also be described in the following supplementary remarks, but are not limited to the following.
(Appendix 1)
a substrate;
a light receiving layer formed above the substrate;
An electron barrier layer formed in contact with the light-receiving layer and containing a plurality of quantum dots,
A photodetector in which the semiconductor of the base material of the electron barrier layer and the semiconductor forming the quantum dots have different lattice constants.
(Appendix 2)
The electron barrier layer is
comprising a bulk semiconductor in which a plurality of said quantum dots are embedded;
2. The photodetector according to claim 1, wherein the quantum dot semiconductor has a narrower bandgap and a larger lattice constant than the bulk semiconductor.
(Appendix 3)
The bulk semiconductor is
Consists of a semiconductor of AlGaSb,
The quantum dots are
2. The photodetector according to claim 2, made of a semiconductor selected from the group consisting of InSb, InGaSb, and InAsSb.
(Appendix 4)
The bulk semiconductor is
Consists of a semiconductor of AlGaSb,
The quantum dots are
The photodetector according to appendix 2, which is made of an InAsSb semiconductor.
(Appendix 5)
The electron barrier layer is
1. The photodetector according to appendix 1, which is configured by a type 1 superlattice structure in which a plurality of the quantum dots are embedded.
(Appendix 6)
The electron barrier layer is
A pair of a first barrier layer composed of a semiconductor having a first bandgap and a second barrier layer composed of a semiconductor having a second bandgap narrower than the first bandgap is stacked. having a type 1 superlattice structure,
The second barrier layer is
6. The quantum dots according to claim 5, comprising the quantum dots of a semiconductor having a third bandgap narrower than the second bandgap and having a larger lattice constant than the semiconductors of the first barrier layer and the second barrier layer. Photodetector.
(Appendix 7)
The electron barrier layer is
7. The photodetector according to claim 6, comprising the quantum dots self-formed on the upper surface of the first barrier layer.
(Appendix 8)
The light-receiving layer is
8. The photodetector according to any one of Appendices 1 to 7, which has a superlattice structure in which a pair of a first light-receiving layer and a second light-receiving layer having different bandgaps are stacked.
(Appendix 9)
The light-receiving layer is
Having a type 2 superlattice structure in which a pair of a first light-receiving layer and a second light-receiving layer are stacked,
Supplementary note 6, wherein the quantum dots and the second barrier layer have the same valence band, and either the valence band edge or the hole miniband of the light-receiving layer substantially coincides with the hole miniband of the electron barrier layer, or 8. The photodetector according to 7.
(Appendix 10)
The light-receiving layer is
The semiconductor of the first light-receiving layer contains InGaAs,
10. The photodetector according to claim 9, wherein the semiconductor of the second absorption layer contains GaAsSb.
(Appendix 11)
The light-receiving layer is
The semiconductor of the first absorption layer contains In 0.52 GaAs,
10. The photodetector according to claim 9, wherein the semiconductor of the second absorption layer contains GaAs0.55Sb .
(Appendix 12)
The electron barrier layer is
the semiconductor of the first barrier layer comprises AlAsSb;
the semiconductor of the second barrier layer comprises GaAsSb;
12. The photodetector according to any one of appendices 9 to 11, wherein the semiconductor of the quantum dots comprises InAsSb.
(Appendix 13)
The electron barrier layer is
13. The photodetector according to claim 12, wherein the first barrier layer and the second barrier layer have the same ratio of As in group V elements of semiconductors.
(Appendix 14)
The electron barrier layer is
the semiconductor of the first barrier layer comprises AlAs 0.55 Sb;
the semiconductor of the second barrier layer comprises GaAs 0.55 Sb;
12. The photodetector according to any one of claims 9 to 11, wherein the semiconductor of the quantum dots comprises InAs0.26Sb .
(Appendix 15)
15. The photodetector according to any one of Additions 1 to 14, wherein at least one of the electron blocking layer and the absorption layer contains P.
(Appendix 16)
comprising two contact layers sandwiching the electron barrier layer and the absorption layer;
16. The photodetector according to any one of appendices 1 to 15, wherein at least one of the two contact layers contains an n-type dopant.
(Appendix 17)
17. The photodetector according to appendix 16, further comprising a buffer layer made of the same material as the substrate and crystal-grown along the plane orientation of the substrate, between one of the two contact layers and the substrate.
(Appendix 18)
18. The photodetector according to any one of Appendices 1 to 17, which has an infrared detection structure in which detection units including at least the electron barrier layer and the light-receiving layer are arranged in an array on a substrate.
(Appendix 19)
the photodetector according to Appendix 18;
a readout circuit that is flip-chip bonded to the photodetector and reads the infrared light detected by the photodetector for each detection unit;
an infrared optical system that converges infrared light on the infrared detection structure of the photodetector;
and an output circuit for outputting a signal based on the infrared light detected for each detection unit.

１０、２０、３０ 光検出素子
１１、２１、３１ 基板
１２、２２ バッファ層
１３、２３ 第１コンタクト層
１４、２４、３４ 電子障壁層
１５、２５、３５ 受光層
１６、２６ 第２コンタクト層
４０ 赤外線検出装置
４１ 赤外線光学系
４２ 赤外線検出素子
４３ 読み出し回路
４４ 出力回路
１４１ バルク層
１４５、２４５、３４５ 量子ドット
２４１ 第１障壁層
２４２ 第２障壁層10, 20, 30 photodetector 11, 21, 31 substrate 12, 22 buffer layer 13, 23 first contact layer 14, 24, 34 electron barrier layer 15, 25, 35 absorption layer 16, 26 second contact layer 40 infrared ray Detection Device 41 Infrared Optical System 42 Infrared Detector 43 Readout Circuit 44 Output Circuit 141 Bulk Layer 145, 245, 345 Quantum Dot 241 First Barrier Layer 242 Second Barrier Layer

Claims (7)

基板と、
前記基板の上方に形成される受光層と、
前記受光層に接して形成され、複数の量子ドットを含む電子障壁層とを備え、
前記電子障壁層の基材の半導体と、前記量子ドットを構成する半導体とは、格子定数が異なり、
前記電子障壁層は、
複数の前記量子ドットが埋め込まれ、第１のバンドギャップを有する半導体によって構成される第１障壁層と、前記第１のバンドギャップよりも狭い第２のバンドギャップを有する半導体によって構成される第２障壁層とのペアを積層させたタイプ１超格子構造を有し、
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とのペアを積層させたタイプ２超格子構造を有し、
前記量子ドットと前記第２障壁層の価電子帯が一致し、前記受光層の価電子帯端および正孔ミニバンドのいずれかと前記電子障壁層の正孔ミニバンドとが略一致する光検出素子。 a substrate;
a light receiving layer formed above the substrate;
An electron barrier layer formed in contact with the light-receiving layer and containing a plurality of quantum dots,
The semiconductor of the base material of the electron barrier layer and the semiconductor constituting the quantum dots have different lattice constants,
The electron barrier layer is
A first barrier layer in which the plurality of quantum dots are embedded and made of a semiconductor having a first bandgap, and a second barrier layer made of a semiconductor having a second bandgap narrower than the first bandgap. Having a type 1 superlattice structure in which pairs with barrier layers are stacked,
The light-receiving layer is
Having a type 2 superlattice structure in which a pair of a first light-receiving layer and a second light-receiving layer are stacked,
Photodetection in which the quantum dots and the second barrier layer have the same valence band, and either the valence band edge or the hole miniband of the light-receiving layer substantially coincides with the hole miniband of the electron barrier layer. element. 前記第２障壁層は、
前記第２のバンドギャップよりも狭い第３のバンドギャップを有し、かつ前記第１障壁層および前記第２障壁層の半導体よりも格子定数が大きい半導体の前記量子ドットを含む請求項１に記載の光検出素子。 The second barrier layer is
2. The quantum dots of claim 1 , comprising the quantum dots of a semiconductor having a third bandgap narrower than the second bandgap and having a larger lattice constant than the semiconductors of the first barrier layer and the second barrier layer. photodetector. 前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の上面に自己形成された前記量子ドットを含む請求項２に記載の光検出素子。 The electron barrier layer is
3. The photodetector of claim 2 , comprising the quantum dots self-formed on the upper surface of the first barrier layer. 前記受光層は、
前記第１受光層の半導体がＩｎＧａＡｓを含み、
前記第２受光層の半導体がＧａＡｓＳｂを含む請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光検出素子。 The light-receiving layer is
The semiconductor of the first light-receiving layer contains InGaAs,
4. The photodetector according to claim 1 , wherein the semiconductor of said second absorption layer contains GaAsSb. 前記電子障壁層は、
前記第１障壁層の半導体がＡｌＡｓＳｂを含み、
前記第２障壁層の半導体がＧａＡｓＳｂを含み、
前記量子ドットの半導体がＩｎＡｓＳｂを含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光検出素子。 The electron barrier layer is
the semiconductor of the first barrier layer comprises AlAsSb;
the semiconductor of the second barrier layer comprises GaAsSb;
5. The photodetector according to any one of claims 1 to 4 , wherein the quantum dot semiconductor comprises InAsSb. 少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光検出素子。 6. The photodetector according to claim 1 , having an infrared detection structure in which detection units including at least the electron barrier layer and the light-receiving layer are arranged in an array on a substrate. 請求項６に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を収束させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。 a photodetector element according to claim 6 ;
a readout circuit that is flip-chip bonded to the photodetector and reads the infrared light detected by the photodetector for each detection unit;
an infrared optical system that converges infrared light on the infrared detection structure of the photodetector;
and an output circuit for outputting a signal based on the infrared light detected for each detection unit.
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