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JP6520166B2 - Infrared detection element, method for manufacturing the same, and infrared detector - Google Patents
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Infrared detection element, method for manufacturing the same, and infrared detector Download PDF

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Description

本発明は、光吸収層内に半導体量子ドットが形成された赤外線検出素子、その製造方法及び赤外線検出器に関する。   The present invention relates to an infrared detection device in which semiconductor quantum dots are formed in a light absorption layer, a method of manufacturing the same, and an infrared detector.

近年、熱源の検知や温度測定、特定ガスの検知、暗視用カメラ等のセンサとして、赤外線検出素子が注目されている。また、この赤外線検出素子を1次元又は2次元状に配置した構成されたイメージセンサ(赤外線検出器)も注目されている。   In recent years, an infrared detection element has attracted attention as a sensor for detecting a heat source, measuring a temperature, detecting a specific gas, or a camera for night vision. In addition, an image sensor (infrared detector) configured by arranging the infrared detection elements in a one-dimensional or two-dimensional manner is also attracting attention.

このような赤外線検出素子の構造や材料については、多くの提案がなされている。光吸収層に半導体量子ドットが形成された量子ドット赤外線検出素子(QDIP:Quantum Dot Infrared Photodetector)は、その一例である。   Many proposals have been made for the structure and materials of such infrared detection elements. The quantum dot infrared detection element (QDIP: Quantum Dot Infrared Photodetector) by which the semiconductor quantum dot was formed in the light absorption layer is the example.

このQDIPは、量子ドットの構成材料よりも大きいバンドギャップを持つ半導体材料により、当該量子ドットを3次元的に囲んだ構造となっている。これにより、量子ドットに電子や正孔が強く閉じ込められて、離散的なエネルギー準位(サブバンド)が形成される。そして、サブバンド間のエネルギー差に相当する波長の赤外線が入射すると、低いエネルギーレベルから高いエネルギーレベルにキャリアが遷移されるバンド間遷移が生じて、励起電流が検出できる。この励起電流は、入射光の波長に依存するので、QDIPは離散的な分光感度を持つようになる。   The QDIP has a structure in which the quantum dot is three-dimensionally surrounded by a semiconductor material having a band gap larger than that of the quantum dot constituent material. As a result, electrons and holes are strongly confined in the quantum dot, and discrete energy levels (subbands) are formed. Then, when an infrared ray having a wavelength corresponding to the energy difference between the sub-bands is incident, an inter-band transition in which carriers are transitioned from a low energy level to a high energy level occurs, and an excitation current can be detected. Since this excitation current is dependent on the wavelength of incident light, QDIP has discrete spectral sensitivity.

そこで、温度に依存したスペクトルの特定、ガス検知においては、ガス物質に依存したスペクトルの抽出等を高精度で行うために、QDIPの分光感度が、当該スペクトルで生じるようにする必要がある。   Therefore, in order to perform temperature-dependent spectrum identification and gas detection with high accuracy, the spectral sensitivity of QDIP needs to be generated in the spectrum in order to perform extraction of the spectrum depending on the gas substance with high accuracy.

先に述べたように、QDIPは光吸収により電気伝導度が変化する赤外線検出素子であり、その性能指標である比検出能Dは、

Figure 0006520166
の式1で表される。ここで、Rは検知波長λに対する受光感度、Aは赤外線検出素子の受光面積、Δfは赤外線検出素子の帯域幅、iはノイズ電流である。 As described above, QDIP is an infrared detection element whose electric conductivity changes due to light absorption, and the relative detectability D * , which is a performance index thereof, is
Figure 0006520166
It is expressed by Equation 1. Here, R p is the light reception sensitivity with respect to detecting the wavelength lambda p, A light-receiving area of the infrared detection element, Delta] f is the bandwidth of the infrared detection element, i n is the noise current.

ノイズ電流iの主因は、暗電流であり、

Figure 0006520166
の式2で表される。ここでeは素電荷、Iは暗電流である。 The main cause of the noise current i n is dark current,
Figure 0006520166
Is expressed by Equation 2. Here, e is an elementary charge and I is a dark current.

式1,式2から、所望の波長に対して高い比検出能Dを持つ赤外線検出素子を構成するためには、特定波長λにおける受光感度Rを大きくすると共に、暗電流Iを小さくすることが有効であることがわかる。 Formula 1, from Equation 2, in order to constitute an infrared detecting element having a high specific detectivity D * for the desired wavelength, as well as increase the light receiving sensitivity R p at a particular wavelength lambda p, reduce the dark current I It turns out that doing is effective.

また、光伝導型の赤外線検出素子であるQDIPの受光感度Rは、

Figure 0006520166
の式3で表される。ここで、ηは量子効率、gは光伝導利得g、eは素電荷、hはプランク定数、cは暗電流である。 In addition, the light reception sensitivity R p of QDIP, which is a photoconductive infrared detection device, is
Figure 0006520166
It is expressed by Equation 3. Here, η is a quantum efficiency, g is a photoconductive gain g, e is an elementary charge, h is a Planck constant, and c is a dark current.

式3から、ら所望の波長λに対して大きい受光感度Rを持つためには、量子効率η及び光伝導利得gを大きくすることが有効であることがわかる。 From Equation 3, it is understood that it is effective to increase the quantum efficiency η and the photoconductive gain g in order to have a large light receiving sensitivity R p with respect to the desired wavelength λ p .

光伝導利得gは、

Figure 0006520166
の式4で表される。ここで、τは赤外線検出素子を流れるキャリア走行時間、τはキャリアの再結合時間である。 The photoconductive gain g is
Figure 0006520166
It is represented by Formula 4. Here, τ T is a carrier transit time flowing through the infrared detection element, and τ R is a carrier recombination time.

従って、大きな光伝導利得g持つためには、キャリア走行時間τを短くし、かつ、再結合時間τを長くすることが必要となる。 Therefore, in order to have a large photoconductive gain g, it is necessary to shorten the carrier transit time τ T and to lengthen the recombination time τ R.

ここで、赤外線検出素子の長さをL、印加電圧をV、電気伝導度をμとすると、キャリア走行時間τは、

Figure 0006520166
の式5で表される。 Here, assuming that the length of the infrared detection element is L, the applied voltage is V, and the electric conductivity is μ, the carrier traveling time τ T is
Figure 0006520166
Is expressed by Equation 5.

以上により、電気伝導度μが高いほど、キャリア走行時間τが短くなって、光伝導利得gが大きくなる。そして、光伝導利得gが大きいほど赤外線検出素子は高い受光感度及び比検出能を持つことになる。 As described above, the higher the electric conductivity μ, the shorter the carrier transit time τ T and the larger the photoconductive gain g. Then, the larger the photoconductive gain g, the higher the light receiving sensitivity and the relative detection ability of the infrared detecting element.

QDIPにおいて受光感度の向上を行った赤外線検出素子に関する技術として、特許文献1や非特許文献1がある。例えば、非特許文献1においては、QDIPの1つである量子ドットが量子井戸内にDWELL(Dot−in−Well)構造を設け、量子ドットにおける電子の遷移確率を向上させることで、赤外線検出素子の高感度化を図っている。   There are Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 as a technique related to an infrared detection element in which the light reception sensitivity is improved in QDIP. For example, in Non-Patent Document 1, a quantum dot, which is one of QDIPs, has a DWELL (Dot-in-Well) structure in a quantum well to improve the transition probability of electrons in the quantum dot, whereby an infrared detection element To increase the sensitivity of

特許第4066002号公報Patent No. 4066002

S.Krishnaほか、APPLIEDPHYSICSLETTERS83巻、14号、2745〜2747頁(2003年発行)S. Krishna et al., APPLIEDPHYSICSLETTERS 83, 14, No. 2745-2747 (issued in 2003)

上述したように、QDIPの受光感度を向上させるためには、量子効率ηと光伝導利得gを改善することが必要となる。   As described above, in order to improve the light reception sensitivity of QDIP, it is necessary to improve the quantum efficiency η and the photoconductive gain g.

しかし、非特許文献1による量子効率の向上方法では、光吸収により量子ドットを抜け出して伝導する電子が、他の量子ドットに捕獲されてしまう確率が大きい問題がある。このことは、再結合時間が短くなるために光伝導利得が小さくなって、受光感度が改善できないことを意味する。   However, in the method of improving the quantum efficiency according to Non-Patent Document 1, there is a problem that there is a high probability that electrons conducted out of the quantum dot due to light absorption and conducted are captured by another quantum dot. This means that the photoconduction gain is reduced due to the short recombination time, and the light reception sensitivity can not be improved.

先に述べたように、受光感度Rを向上させるためには光伝導利得gを大きくする必要がある。しかし、光伝導利得gは暗電流Iに比例するため、光伝導利得gを大きくするとノイズ電流iが増大して、比検出能Dを効率良く向上させることができない。 As described above, in order to improve the light receiving sensitivity R p , it is necessary to increase the photoconductive gain g. However, since the photoconductive gain g is proportional to the dark current I, and noise current i n Increasing the photoconductive gain g increases, the ratio detectability D * a can not be efficiently improved.

そこで、本発明の主目的は、高い比検出能を持つ赤外線検出素子、その製造方法及び赤外線検出器を提供することである。   Accordingly, the main object of the present invention is to provide an infrared detection device having high specific detectability, a method of manufacturing the same, and an infrared detector.

上記課題を解決するため、半導体量子ドットを含む赤外線検出素子にかかる発明は、赤外線検出素子を伝導する電子を捕獲する量子準位のエネルギーレベルを含むキャリア供給層と、半導体量子ドットを含み、該半導体量子ドットがキャリア供給層からの電子を捕獲するエネルギーレベルの第1量子準位、該第1量子準位よりエネルギーレベルが低く、当該第1量子準位に捕獲されている電子とクーロン相互作用してエネルギーレベルが第4量子準位に変化する第2量子準位、該第2量子準位よりエネルギーレベルの低い第3量子準位の少なくとも3つの量子準位を持つ光吸収層と、キャリア供給層における量子準位と概ねエネルギーレベルの等しいサブバンド準位を持つキャリア伝導層と、を備え、光吸収層が所定波長の光を吸収して第1量子準位に捕獲されている電子が第3量子準位に励起されて第1量子準位に捕獲されている電子数が減少することにより、第4量子準位がキャリア供給層における量子準位とサブバンド準位とに概ね等しいエネルギーレベルになると、キャリア供給層における量子準位に捕獲されている電子が、第4量子準位を経てサブバンド準位を伝導することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention relating to an infrared detection device including a semiconductor quantum dot includes a carrier supply layer including an energy level of a quantum level that captures electrons conducting in the infrared detection device, and a semiconductor quantum dot Coulomb interaction with the first quantum level of the energy level at which the semiconductor quantum dot captures electrons from the carrier supply layer, the energy level lower than the first quantum level, and electrons trapped in the first quantum level And a light absorption layer having at least three quantum levels of a second quantum level whose energy level changes to the fourth quantum level, and a third quantum level whose energy level is lower than the second quantum level, and a carrier And a carrier conduction layer having a subband level substantially equal in energy level to the quantum level in the supply layer, and the light absorption layer absorbs light of a predetermined wavelength to The fourth quantum level is a quantum level in the carrier supply layer by the fact that the electrons trapped in the child level are excited to the third quantum level and the number of electrons trapped in the first quantum level decreases. When the energy level of the carrier supply layer is approximately equal to the energy level of the sub-band level, electrons trapped in the quantum level in the carrier supply layer conduct the sub-band level via the fourth quantum level.

また、赤外線検出装置にかかる発明は、上記赤外線検出素子を1次元又は2次元に配置して形成したことを特徴とする。   The invention according to the infrared detection device is characterized in that the infrared detection elements are arranged in one or two dimensions.

さらに、半導体量子ドットを含む赤外線検出素子の製造方法にかかる発明は、赤外線検出素子を伝導する電子を捕獲する量子準位のエネルギーレベルを含むキャリア供給層を形成し、半導体量子ドットを含み、該半導体量子ドットがキャリア供給層からの電子を捕獲するエネルギーレベルの第1量子準位、該第1量子準位よりエネルギーレベルが低く、当該第1量子準位に捕獲されている電子とクーロン相互作用してエネルギーレベルが第4量子準位に変化する第2量子準位、該第2量子準位よりエネルギーレベルの低い第3量子準位の少なくとも3つの量子準位を持つ光吸収層をキャリア供給層に対して積層して形成し、キャリア供給層における量子準位と概ねエネルギーレベルの等しいサブバンド準位を持つキャリア伝導層を形成することを特徴とする。   Furthermore, the invention according to the method of manufacturing an infrared detection device including a semiconductor quantum dot forms a carrier supply layer including an energy level of a quantum level that captures electrons conducted through the infrared detection device, and includes a semiconductor quantum dot Coulomb interaction with the first quantum level of the energy level at which the semiconductor quantum dot captures electrons from the carrier supply layer, the energy level lower than the first quantum level, and electrons trapped in the first quantum level Supply the light absorption layer with at least three quantum levels, the second quantum level whose energy level changes to the fourth quantum level, and the third quantum level whose energy level is lower than that of the second quantum level And forming a carrier conduction layer having a subband level substantially equal to the quantum level in the carrier supply layer with respect to the quantum level in the carrier supply layer. The features.

本発明によれば、効率よく比検出能を向上させた赤外線検出素子、その製造方法及び赤外線検出器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 infrared detection element which improved ratio detection ability efficiently, its manufacturing method, and an infrared detector.

第1実施形態にかかる赤外線検出素子の断面図である。It is sectional drawing of the infrared detection element concerning 1st Embodiment. 機能部に正のバイアス電圧を印加したときのバンド構造を示した図である。It is the figure which showed the band structure when a positive bias voltage is applied to a function part. 第1量子準位の電子が第3量子準位に遷移した際の様子を示すバンド構造である。It is a band structure which shows a mode at the time of the electron of a 1st quantum level transitioning to a 3rd quantum level. 赤外線検出素子におけるキャリア供給層、光吸収層、キャリア伝導層の詳細な構造を示した図である。It is the figure which showed the detailed structure of the carrier supply layer in a infrared detection element, a light absorption layer, and a carrier conduction layer. 正バイアス電圧が印加されたときのコラムナ量子ドットを含まない断面でのエネルギーバンド構造を示した図である。It is a figure showing energy band structure in a section which does not contain columna quantum dots when positive bias voltage is impressed. 赤外線検出器を製造する際に用いられる分子線エピタキシャル装置の概略図である。It is the schematic of the molecular beam epitaxial device used when manufacturing an infrared detector. 第2実施形態にかかる赤外線検出素子のエネルギーバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the energy band structure of the infrared detection element concerning 2nd Embodiment. 第3実施形態にかかる赤外線検出素子のエネルギーバンド構造を示した図である。It is the figure which showed the energy band structure of the infrared detection element concerning 3rd Embodiment.

<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態を詳細に説明する。図1は、第1実施形態にかかる赤外線検出素子2の断面を示す模式図である。なお、赤外線検出器は、この赤外線検出素子2を1次元又は2次元状に配置することにより構成される。
First Embodiment
Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a schematic view showing a cross section of the infrared detection element 2 according to the first embodiment. The infrared detector is configured by arranging the infrared detection elements 2 one-dimensionally or two-dimensionally.

赤外線検出素子2は、基板部10、機能部20、この機能部20を挟むように設けられたコンタクト部30を備える。   The infrared detection element 2 includes a substrate unit 10, a functional unit 20, and a contact unit 30 provided to sandwich the functional unit 20.

基板部10は、半導体基板11、この半導体基板11の上に設けられた緩衝層13により形成されている。   The substrate unit 10 is formed of a semiconductor substrate 11 and a buffer layer 13 provided on the semiconductor substrate 11.

機能部20は、下部層21、キャリア供給層23、光吸収層25、キャリア伝導層27を順次積層して形成されている。なお、光吸収層25は、複数の量子ドット25aaを含んでいる。   The functional unit 20 is formed by sequentially laminating the lower layer 21, the carrier supply layer 23, the light absorption layer 25, and the carrier conductive layer 27. The light absorption layer 25 includes a plurality of quantum dots 25aa.

コンタクト部30は、下部層21と緩衝層13との間に設けられた下部コンタクト層31、この下部コンタクト層31に接合された下部電極33、キャリア伝導層27の上に設けられた上部コンタクト層35、この上部コンタクト層35に接合された上部電極37により形成されている。   The contact portion 30 includes a lower contact layer 31 provided between the lower layer 21 and the buffer layer 13, a lower electrode 33 joined to the lower contact layer 31, and an upper contact layer provided on the carrier conductive layer 27. 35 is formed by the upper electrode 37 joined to the upper contact layer 35.

なお、緩衝層13は、半導体基板11と同じ材料から形成されている。また、下部コンタクト層31は、n型にドープされた半導体である。 The buffer layer 13 is formed of the same material as the semiconductor substrate 11. The lower contact layer 31 is a semiconductor doped in n + -type.

図1においては、下部電極33と上部電極37との間に、電源4と電流計6とが直列に接続されている。これにより、機能部20に所定の電圧が印加される。この状態で、光吸収層25の量子ドット25aaが赤外線を吸収すると、機能部20の電気伝導度が変化して、電子が伝導する。従って、伝導電子の大きさは、量子ドット25aaで吸収された赤外線量に比例する。電流計6は、伝導電子による電流を検出することで、赤外線量が電流として検出される。   In FIG. 1, the power supply 4 and the ammeter 6 are connected in series between the lower electrode 33 and the upper electrode 37. As a result, a predetermined voltage is applied to the functional unit 20. In this state, when the quantum dots 25aa of the light absorption layer 25 absorb infrared light, the electric conductivity of the functional unit 20 changes, and electrons are conducted. Therefore, the size of the conduction electron is proportional to the amount of infrared radiation absorbed by the quantum dot 25aa. The ammeter 6 detects an amount of infrared radiation as a current by detecting a current due to conduction electrons.

図2は、機能部20に正のバイアス電圧が印加されたときの当該機能部20のバンド構造を示した図である。なお、図2において左右方向が、図1における上下方向に対応し、左側が下部コンタクト層31側、右側が上部コンタクト層35側に対応している。また、同図において「○」印は、電子を示している。   FIG. 2 is a diagram showing a band structure of the functional unit 20 when a positive bias voltage is applied to the functional unit 20. As shown in FIG. The left and right direction in FIG. 2 corresponds to the vertical direction in FIG. 1, the left side corresponds to the lower contact layer 31 side, and the right side corresponds to the upper contact layer 35 side. Moreover, in the same figure, "(circle)" mark has shown the electron.

キャリア供給層23は、状態密度の大きい量子準位Laを持つ。このため、下部コンタクト層31から伝導してきた殆どの電子は、量子準位Laに捕獲される。しかし、熱励起により、僅かの電子は、中間層連続状態準位Lbに遷移して光吸収層25に到達する。   The carrier supply layer 23 has a quantum level La with a large density of states. For this reason, most of the electrons conducted from the lower contact layer 31 are captured by the quantum level La. However, due to thermal excitation, a few electrons transition to the interlayer continuous state level Lb and reach the light absorption layer 25.

光吸収層25は、少なくとも3つ以上の離散的な量子準位を持っている。図2では第1量子準位L1、第2量子準位L2、第3量子準位L3の順番でエネルギーが低くなる3つの量子準位が示されている。   The light absorption layer 25 has at least three or more discrete quantum levels. In FIG. 2, three quantum levels in which the energy decreases in the order of the first quantum level L1, the second quantum level L2, and the third quantum level L3 are shown.

キャリア伝導層27は、例えば複数の量子構造から形成されるサブバンド準位Lmと中間層連続状態準位Lbとを有する。そして、キャリア伝導層27に到達した殆どの電子は、中間層連続状態準位Lbより低いサブバンド準位Lmを伝導して上部コンタクト層35に到達する。この結果、サブバンド準位Lmの電気伝導度は、中間層連続状態準位Lbよりも大きくなる。   The carrier conduction layer 27 has, for example, a subband level Lm formed of a plurality of quantum structures and an intermediate layer continuous state level Lb. Then, most of the electrons having reached the carrier conductive layer 27 conduct the subband level Lm lower than the intermediate layer continuous state level Lb to reach the upper contact layer 35. As a result, the electrical conductivity of the subband level Lm is higher than that of the intermediate layer continuous state level Lb.

(動作原理)
次に、上記構成の赤外線検出素子2の動作を説明する。図3は、第1量子準位L1の電子が第3量子準位L3に遷移した際の様子を示すバンド構造である。
(Operating principle)
Next, the operation of the infrared detection element 2 configured as described above will be described. FIG. 3 is a band structure showing a state when an electron of the first quantum level L1 transitions to the third quantum level L3.

第1量子準位L1の電子が、第1量子準位L1と第3量子準位L3とのエネルギー差に等しいエネルギーの光(赤外線)を吸収すると、この電子は第3量子準位L3に遷移する。   When an electron of the first quantum level L1 absorbs light (infrared ray) having energy equal to the energy difference between the first quantum level L1 and the third quantum level L3, this electron transitions to the third quantum level L3. Do.

第2量子準位L2のエネルギーレベルは、第1量子準位L1に存在する電子の個数により変化する。従って、第1量子準位L1の電子が第3量子準位L3に遷移して、当該第1量子準位L1の電子数が少なくなると、クーロン相互作用が弱まって第2量子準位L2のエネルギーレベルは下がる。このエネルギーレベルの下がった第2量子準位L2を第4量子準位L4と記載する。このとき第2量子準位L2と第4量子準位L4とのエネルギー差が、量子準位La及びサブバンド準位Lmのエネルギーレベルより高くなることがある。   The energy level of the second quantum level L2 changes according to the number of electrons present in the first quantum level L1. Therefore, when the electron of the first quantum level L1 transitions to the third quantum level L3 and the number of electrons of the first quantum level L1 decreases, the Coulomb interaction weakens and the energy of the second quantum level L2 The level goes down. The second quantum level L2 whose energy level is lowered is referred to as a fourth quantum level L4. At this time, the energy difference between the second quantum level L2 and the fourth quantum level L4 may be higher than the energy levels of the quantum level La and the subband level Lm.

そして、第4量子準位L4が、キャリア供給層23の量子準位La及びキャリア伝導層27のサブバンド準位Lmに一致すると、キャリア供給層23の電子は第4量子準位L4とサブバンド準位Lmとを伝導して上部コンタクト層35側に伝導するようになる。   Then, when the fourth quantum level L4 matches the quantum level La of the carrier supply layer 23 and the subband level Lm of the carrier conductive layer 27, the electrons of the carrier supply layer 23 form the fourth quantum level L4 and the subband Conducting with the level Lm causes conduction to the upper contact layer 35 side.

即ち、第1実施形態の構造にかかる赤外線検出素子2では、第1量子準位L1と第3量子準位L3とのエネルギー差に等しいエネルギーの赤外線を第1量子準位L1の電子が吸収すると、量子準位Laの電子が第4量子準位L4とサブバンド準位Lmとを伝導するようになる。この伝導は、赤外線検出素子2が赤外線を吸収したことにより、機能部20の電気伝導度が変化したとみなせる。   That is, in the infrared detection element 2 according to the structure of the first embodiment, when electrons of the first quantum level L1 absorb infrared rays of energy equal to the energy difference between the first quantum level L1 and the third quantum level L3. The electrons of the quantum level La are conducted to the fourth quantum level L4 and the subband level Lm. This conduction can be regarded as a change in the electrical conductivity of the functional unit 20 as the infrared detection element 2 absorbs the infrared light.

一方、第1量子準位L1の電子が赤外線を吸収しないとき、量子準位Laの電子うちの僅かな電子が熱励起されて電気伝導度の低い中間層連続状態準位Lbのエネルギーレベルに遷移して上部コンタクト層35に到達する。このときの電子の伝導は、暗電流として検出される。   On the other hand, when the electrons of the first quantum level L1 do not absorb infrared rays, a few electrons of the electrons of the quantum level La are thermally excited and transition to the energy level of the interlayer continuous state level Lb having low electrical conductivity. Then, the upper contact layer 35 is reached. The conduction of electrons at this time is detected as dark current.

従って、第1量子準位L1の電子が赤外線を吸収したときにのみ、量子準位Laの電子が第4量子準位L4を経てサブバンド準位Lmを伝導し、これが光電流として検出される。このときの伝導は、再結合時間を経て第1量子準位L1に再び捕獲されるまで継続する。   Therefore, only when the electron of the first quantum level L1 absorbs infrared light, the electron of the quantum level La passes the fourth quantum level L4, conducts the subband level Lm, and this is detected as a photocurrent . The conduction at this time continues until it is captured again in the first quantum level L1 after the recombination time.

以上により、赤外線検出素子2は、赤外線の吸収により電気伝導度が変化し、赤外線検出素子2が光吸収層で赤外線を吸収したときに流れる電流(光電流)に対しては、高い電気伝導度を示す。一方、赤外線を吸収しない場合には、赤外線検出素子2は低い電気伝導度を示す。このとき流れる電流は暗電流となる。暗電流が流れているときのキャリア走行時間τは、式5及び式4から小さくなる。これにより暗電流に対する光電流の光伝導利得が大きくなり、赤外線検出素子2の比検出能が向上する。 As described above, the infrared detection element 2 changes its electrical conductivity due to absorption of infrared light, and the electrical conductivity of the current (photocurrent) flowing when the infrared detection element 2 absorbs infrared light in the light absorption layer is high. Indicates On the other hand, when the infrared ray is not absorbed, the infrared detection element 2 exhibits low electric conductivity. The current flowing at this time is a dark current. The carrier transit time τ T when the dark current flows is reduced from Equations 5 and 4. As a result, the photoconductive gain of the photocurrent with respect to the dark current is increased, and the relative detectability of the infrared detection element 2 is improved.

(構成例)
次に、上記赤外線検出素子2の構成例を詳細に説明する。図4は、図1に示す赤外線検出素子2におけるキャリア供給層23、光吸収層25、キャリア伝導層27の詳細な構成を示す図である。
(Example of configuration)
Next, a configuration example of the infrared detection element 2 will be described in detail. FIG. 4 is a view showing a detailed configuration of the carrier supply layer 23, the light absorption layer 25, and the carrier conductive layer 27 in the infrared detection element 2 shown in FIG.

キャリア供給層23は、厚さ数十nmの第1中間層23a、該第1中間層23aの上に形成された厚さ数nmの量子井戸層23b、その上に形成された厚さ数十nmの第2中間層23cにより形成されている。   The carrier supply layer 23 includes a first intermediate layer 23a with a thickness of several tens of nm, a quantum well layer 23b with a thickness of several nm formed on the first intermediate layer 23a, and a thickness of several tens with a thickness of The second intermediate layer 23c of nm is formed.

量子井戸層23bは、第1中間層23a及び第2中間層23cよりもバンドギャップの小さい材料で形成される。第2中間層23cのバンドギャップは、第1中間層23aと比較して大きい。   The quantum well layer 23 b is formed of a material having a smaller band gap than the first intermediate layer 23 a and the second intermediate layer 23 c. The band gap of the second intermediate layer 23c is larger than that of the first intermediate layer 23a.

第1中間層23aは例えばAlGaAs、量子井戸層23bは例えばGaAs、第2中間層23cは例えば第1中間層23aよりもAl成分比の多いAlGaAsが例示できる。   The first intermediate layer 23a may be, for example, AlGaAs, the quantum well layer 23b may be, for example, GaAs, and the second intermediate layer 23c may be, for example, AlGaAs having an Al component ratio higher than that of the first intermediate layer 23a.

量子井戸層23bの上下は、量子井戸層23bよりも大きいバンドギャップを持つ材料により覆われて形成された量子井戸である。量子力学に基づけば、量子井戸に束縛された電子は、離散的な準位を形成する。この準位が、図2における量子準位Laとなる。   The upper and lower portions of the quantum well layer 23 b are quantum wells formed by being covered with a material having a band gap larger than that of the quantum well layer 23 b. Based on quantum mechanics, electrons bound to the quantum well form discrete levels. This level is the quantum level La in FIG.

光吸収層25は、第2中間層23c上に平面的に形成された複数の量子ドット25aaと該量子ドット25aaの下部及び周囲を囲う量子ドット埋込層25abとからなる量子ドット層25a、量子ドット層25aの上部に積層された厚さ数十nmの第3中間層25bによって形成されている。量子ドット層25aは、例えばGaAs量子ドット埋め込み層中に形成されたInAs量子ドット、第3中間層25bはAlGaAsが例示できる。   The light absorption layer 25 is a quantum dot layer 25a including a plurality of quantum dots 25aa planarly formed on the second intermediate layer 23c and a quantum dot embedded layer 25ab surrounding and under the quantum dots 25aa. The third intermediate layer 25b having a thickness of several tens of nm stacked on the dot layer 25a is formed. The quantum dot layer 25a may be, for example, an InAs quantum dot formed in a GaAs quantum dot buried layer, and the third intermediate layer 25b may be, for example, AlGaAs.

量子力学に基づけば、量子ドットに束縛された電子は離散的なエネルギー準位しかとることができない。そして、量子ドット層における複数の準位のうち3つの量子準位が、第1量子準位L1、第2量子準位L2、第3量子準位L3に対応している。また、量子ドットの伝導帯の離散的な量子準位は、一般に波長が数μm〜10数μmの赤外線のエネルギーに等しい。   Based on quantum mechanics, electrons bound to quantum dots can only take discrete energy levels. Then, three of the plurality of levels in the quantum dot layer correspond to the first quantum level L1, the second quantum level L2, and the third quantum level L3. In addition, discrete quantum levels of the conduction band of the quantum dot are generally equal to the energy of infrared rays with a wavelength of several μm to several tens of μm.

キャリア伝導層27は、複数の量子ドットを縦方向に連結してなるコラムナ量子ドット27aを含み、コラムナ量子ドット27aの周囲は第4中間層27bで覆われている。   The carrier conductive layer 27 includes columna quantum dots 27a formed by connecting a plurality of quantum dots in the longitudinal direction, and the periphery of the columna quantum dots 27a is covered with a fourth intermediate layer 27b.

殆どのコラムナ量子ドット27aは、光吸収層25の量子ドット25aaの直上に積層されている。第4中間層27bは、例えばAlGaAsであり、コラムナ量子ドット27aはInGaAsが例示できる。コラムナ量子ドット27aにおいては、それを形成する複数の量子ドットの離散的エネルギー準位が図中上下方向に結合し、図2におけるサブバンド準位Lmに対応した結合準位を形成する。   Most columna quantum dots 27 a are stacked directly on the quantum dots 25 aa of the light absorption layer 25. The fourth intermediate layer 27b is, for example, AlGaAs, and the columnar quantum dots 27a can be exemplified by InGaAs. In columner quantum dots 27a, discrete energy levels of a plurality of quantum dots forming the quantum dots are vertically coupled in the figure, and form coupling levels corresponding to subband levels Lm in FIG.

図5は、コラムナ量子ドット27aを含まない赤外線検出素子のエネルギーバンド構造を示した図である。図2の場合と同じように、図5の左右方向は図4の上下方向に対応し、図5の左側が下部コンタクト層31側、右側が上部コンタクト層35側に対応している。
但し、コラムナ量子ドット27aを含まないためキャリア伝導層には量子準位は形成されておらず、このためサブバンド準位も形成されていない。
FIG. 5 is a diagram showing the energy band structure of the infrared detection element which does not include the columner quantum dots 27a. As in the case of FIG. 2, the horizontal direction of FIG. 5 corresponds to the vertical direction of FIG. 4, the left side of FIG. 5 corresponds to the lower contact layer 31 side, and the right side corresponds to the upper contact layer 35 side.
However, no quantum level is formed in the carrier conduction layer because columner quantum dots 27a are not included, and therefore no subband level is also formed.

このような構成で、光吸収層25で第1量子準位L1と第3量子準位L3とのエネルギー差に等しいエネルギーの赤外線が吸収された場合を考える。このとき、第1量子準位L1の電子は第3量子準位L3に遷移する。これにより、第2量子準位L2のエネルギーレベルが下がり、量子準位Laと一致又は近接したとする。   In such a configuration, a case is considered where infrared light of energy equal to the energy difference between the first quantum level L1 and the third quantum level L3 is absorbed in the light absorption layer 25. At this time, electrons of the first quantum level L1 transition to the third quantum level L3. As a result, it is assumed that the energy level of the second quantum level L2 is lowered to coincide with or close to the quantum level La.

このような状態で第2量子準位L2の電子が伝導しようとしても、第2量子準位L2と中間層連続状態準位Lbとのエネルギー差が大きいため中間層連続状態準位Lbに遷移できないので、第2量子準位L2の電子は伝導できない。従って、光吸収層25で赤外線の吸収が起きても、光電流を検出することが困難になる。無論、熱励起により中間層連続状態準位Lbに遷移する電子も皆無ではないが、非常に少ないことはいうまでもない。   Even if electrons of the second quantum level L2 are to conduct in such a state, the transition to the interlayer continuous state level Lb can not be made because the energy difference between the second quantum level L2 and the interlayer continuous state level Lb is large. Therefore, the electrons of the second quantum level L2 can not be conducted. Therefore, even if absorption of infrared radiation occurs in the light absorption layer 25, it becomes difficult to detect the photocurrent. It goes without saying that there are no electrons that transition to the interlayer continuous state level Lb due to thermal excitation, but it is needless to say that the number is very small.

よって、コラムナ量子ドット27aを形成することにより、光電流がサブバンド準位Lmを伝導して、効率よく検出できるようになる。   Therefore, by forming the columner quantum dots 27a, the photocurrent can be conducted efficiently through the subband level Lm.

(製造方法)
次に、赤外線検出素子2の製造方法を説明する。図6は、赤外線検出素子2を製造する際に用いられる分子線エピタキシャル(MBE)装置の概略を示している。
(Production method)
Next, a method of manufacturing the infrared detection element 2 will be described. FIG. 6 schematically shows a molecular beam epitaxial (MBE) apparatus used when manufacturing the infrared detection element 2.

面方位(001)の半絶縁性のノンドープGaAsの半導体基板11を真空チャンバ50内の基板ホルダ51に装着する。基板ホルダ51には、半導体基板11の温度調整するための電気ヒータが設けられている。また、基板ホルダ51は、供給される原料が原料供給源52〜53の位置に拠らず均一な厚さになるように、半導体基板11を回転させるための回転機構が設けられている。   A semiconductor substrate 11 of semi-insulating non-doped GaAs of plane orientation (001) is mounted on the substrate holder 51 in the vacuum chamber 50. The substrate holder 51 is provided with an electric heater for adjusting the temperature of the semiconductor substrate 11. Further, the substrate holder 51 is provided with a rotation mechanism for rotating the semiconductor substrate 11 so that the supplied raw material has a uniform thickness regardless of the positions of the raw material supply sources 52 to 53.

第1原料供給源52はIII族元素であるIn、第2原料供給源53はIII族元素であるGa、第3原料供給源54はV族元素であるAsが、ターゲット材としてセットされている。以下、特に記載の無い場合には半導体基板11を回転させながら製造する。   The first source supply source 52 is set as In, the second source supply source 53 is Ga, the third source supply source 54 is As, which is a group V element, as a target material. . In the following, the semiconductor substrate 11 is manufactured while rotating unless otherwise specified.

続いて、GaAsからなる半導体基板11に第3原料供給源54からV族元素であるAsを照射しながら、半導体基板11の温度を上昇させることにより、半導体基板11に形成された自然酸化膜を除去する。酸化膜の除去処理後、基板温度を580℃程度に設定し、厚さ500nmの緩衝層13を形成する。緩衝層13は、半導体基板11と同じノンドープGaAsとする。   Subsequently, the temperature of the semiconductor substrate 11 is raised by irradiating the semiconductor substrate 11 made of GaAs with As, which is a V-group element, from the third raw material supply source 54, thereby forming a natural oxide film on the semiconductor substrate 11 Remove. After removing the oxide film, the substrate temperature is set to about 580 ° C., and the buffer layer 13 having a thickness of 500 nm is formed. The buffer layer 13 is made of the same non-doped GaAs as the semiconductor substrate 11.

次に、Si原子を濃度2×1018cm−3程度ドーピングしたGaAsからなるn型の下部コンタクト層31を500nmの厚さで形成する。 Next, an n-type lower contact layer 31 made of GaAs doped with Si atoms at a concentration of about 2 × 10 18 cm −3 is formed to a thickness of 500 nm.

さらに、ノンドープGaAsで構成されるi型の下部層21、AlGaAsで構成されるi型の第1中間層23aを50nmの厚さで積層した後、Si原子をドーピングしたGaAsからなる量子井戸層23bを代表値として5nmの厚さで積層する。その後、ノンドープAlGaAsで構成されるi型の第2中間層23cを積層する。   Further, an i-type lower layer 21 composed of non-doped GaAs and an i-type first intermediate layer 23a composed of AlGaAs are stacked with a thickness of 50 nm, and then a quantum well layer 23b composed of GaAs doped with Si atoms With a thickness of 5 nm as a representative value. Thereafter, an i-type second intermediate layer 23c made of non-doped AlGaAs is stacked.

続いて、第2中間層23cの上部に厚さ2nmのGaAsを形成した後、基板温度を490℃程度まで下げる。そして、第3原料供給源54からAsを照射しながら、第1原料供給源52からInを厚さが2原子層相当となる量だけ供給し、InAsからなる量子ドット25aaを形成する。   Subsequently, after forming GaAs with a thickness of 2 nm on the second intermediate layer 23c, the substrate temperature is lowered to about 490.degree. Then, while irradiating As from the third raw material supply source 54, In is supplied from the first raw material supply source 52 by an amount corresponding to a thickness equivalent to two atomic layers, to form quantum dots 25aa made of InAs.

このとき、InAsとGaAsとの格子定数の違いから発生する歪みによって、InAs層は2次元薄膜ではなく島状の3次元形状に成長する。この成長モードはSK(Stranski−Krastanov)モードと呼ばれる。   At this time, the InAs layer grows into an island-like three-dimensional shape instead of a two-dimensional thin film due to a strain generated due to a difference in lattice constant between InAs and GaAs. This growth mode is called SK (Stranski-Krastanov) mode.

このようにして量子ドットが高密度に平面上に並んで形成されて、これが量子ドット25aaの層となる。量子ドットの典型的な直径は20〜30nm、高さ3〜7nm程度であり、1平方センチメートルあたりの数密度は1×1011個程度である。 In this manner, the quantum dots are formed in high density on the plane side by side and become a layer of the quantum dots 25aa. The typical diameter of the quantum dot is about 20 to 30 nm and the height is about 3 to 7 nm, and the number density per square centimeter is about 1 × 10 11 .

続いて、量子ドット25aaの上部にドーピングを行う。ドーパントは例えばSi原子を用い、このSi原子を照射することにより量子ドットを層表面に散布した状態で形成する。Si原子の散布面密度は、量子ドットの面密度と同じ程度にする。即ち、量子ドットの面密度Ncm−2としたとき、Si原子の散布面密度もNcm−2程度にする(Nは正性の自然数である)。 Subsequently, doping is performed on the top of the quantum dot 25aa. The dopant is, for example, a Si atom, and by irradiating this Si atom, quantum dots are formed in a scattered state on the surface of the layer. The scattering surface density of Si atoms is made approximately the same as the surface density of quantum dots. That is, when the surface density Ncm -2 quantum dots, spread side the density of Si atoms also about Ncm -2 (N is a natural number of positive properties).

量子ドット25aaを成長させた後、In及びGaの供給を停止し、基板温度を50℃程度に下げて、量子ドット埋込層25abを形成する。量子ドット埋込層25abは、厚さが5nmであり、材料はGaAsである。   After growing the quantum dots 25aa, the supply of In and Ga is stopped, and the substrate temperature is lowered to about 50 ° C. to form the quantum dot embedded layer 25ab. The quantum dot embedded layer 25ab has a thickness of 5 nm, and the material is GaAs.

その後、再び基板温度を少なくとも30℃以上に保持しながら、Asのみを照射した状態を数分間維持する。なお、このときの基板温度は、量子ドット25aa及び量子ドット埋込層25abが、ダメージを受けない温度(熱的影響を受けない)に設定する。   After that, while keeping the substrate temperature at least 30 ° C. or more again, the state where only As is irradiated is maintained for several minutes. The substrate temperature at this time is set to a temperature at which the quantum dots 25aa and the quantum dot embedded layer 25ab are not damaged (thermally not affected).

量子ドット25aaの高さにはバラツキが存在するため、幾つかの量子ドットの頂部は量子ドット埋込層25abから突出することがある。そして、突出部分の高さにもバラツキが存在する。しかし、本工程を行うことにより、量子ドット埋込層25abから突出している量子ドット25aaにおける頭頂部が蒸発し、又は、水平方向に拡散して平坦化される。これにより、量子ドット25aaの高さは均一化されて、量子ドット埋込層25abの厚さと略一致するようになる。   Since the heights of the quantum dots 25aa have variations, the tops of some quantum dots may protrude from the quantum dot embedded layer 25ab. And, there are also variations in the height of the projecting portion. However, by performing this step, the top of the quantum dot 25 aa protruding from the quantum dot embedded layer 25 ab evaporates or is diffused and flattened in the horizontal direction. Thereby, the heights of the quantum dots 25aa are made uniform, and become approximately equal to the thickness of the quantum dot embedded layer 25ab.

続いて、第4中間層27bの下部層を形成した後、基板温度を490℃程度まで下げて、第3原料供給源54からAsを照射し、第1原料供給源52からInを、第2原料供給源53からGaを、2原子層の厚みに相当する量だけ供給し、InGaAsからなる量子ドットを形成する。   Subsequently, after forming the lower layer of the fourth intermediate layer 27b, the substrate temperature is lowered to about 490 ° C., As is irradiated from the third raw material supply source 54, and In from the first raw material supply source 52 is Ga is supplied from the raw material supply source 53 by an amount corresponding to the thickness of the two atomic layers to form quantum dots made of InGaAs.

この量子ドット25aa及び量子ドット埋込層25abの形成手順と同様の手順でInGaAs量子ドット、AlGaAsからなる埋め込み層の積層工程を複数回繰り返すことで、AlGaAs量子ドットが成長方向に連結したコラムナ量子ドット27a及び第4中間層27bが形成される。   Columnar quantum dots in which AlGaAs quantum dots are connected in the growth direction by repeating the lamination step of the InGaAs quantum dots and the buried layer made of AlGaAs a plurality of times in the same procedure as the formation procedure of the quantum dots 25aa and the quantum dot buried layer 25ab. 27a and a fourth intermediate layer 27b are formed.

量子ドット25aaの形成による歪みは、第2中間層23cの表面に蓄積されるので、コラムナ量子ドット27aは量子ドット25aaの直上にのみ形成される。   Since distortion due to the formation of the quantum dots 25aa is accumulated on the surface of the second intermediate layer 23c, the columnar quantum dots 27a are formed only immediately above the quantum dots 25aa.

次に、第4中間層27bの上に、Si原子を濃度2×1018cm−3程度ドーピングしたGaAsで構成される200nmの厚さのn型の上部コンタクト層35を積層し、赤外線検出素子2の基板(赤外線検出器用ウエハ)の製造工程が終了する。 Next, on the fourth intermediate layer 27b, an n-type upper contact layer 35 of 200 nm thick composed of GaAs doped with Si atoms at a concentration of about 2 × 10 18 cm −3 is stacked, and an infrared detection element The manufacturing process of the second substrate (wafer for infrared detector) is completed.

続いて、製造した赤外線検出器用ウエハを加工して赤外線検出素子2を製造する工程について述べる。   Then, the process of manufacturing the wafer for infrared detectors manufactured and manufacturing the infrared detection element 2 is described.

赤外線検出器用ウエハの加工には、フォトリソグラフィー法、ドライエッチング又はウエットエッチング法を利用する。まず、ウエハにレジストをスピンコート法により塗布し、フォトリソグラフィー法により赤外線検出素子分離のためのパターン(例えば正方形パターン)を形成する。   For processing of the wafer for infrared detectors, photolithography, dry etching or wet etching is used. First, a resist is applied to a wafer by spin coating, and a pattern (for example, a square pattern) for separating infrared detection elements is formed by photolithography.

このパターンをマスクとし、ドライエッチング法又はウエットエッチング法により、図4に示すように上部コンタクト層35、キャリア伝導層27、光吸収層25、キャリア供給層23及び下部コンタクト層31の途中までエッチングし、下部コンタクト層31の表面の一部を露出させる。   Using this pattern as a mask, the upper contact layer 35, the carrier conductive layer 27, the light absorption layer 25, the carrier supply layer 23, and the lower contact layer 31 are etched halfway by dry etching or wet etching as shown in FIG. , Part of the surface of the lower contact layer 31 is exposed.

本工程により、赤外線検出器用ウエハには複数の赤外線検出素子2が分離して形成される。赤外線検出素子2の受光面の直径は、用途によって異なるが、典型的には20μm〜300μmである。   In this process, the plurality of infrared detection elements 2 are separately formed on the infrared detector wafer. The diameter of the light receiving surface of the infrared detection element 2 varies depending on the application, but is typically 20 μm to 300 μm.

次に、上部コンタクト層35と下部コンタクト層31との電極を形成すべくAuGe/Ni/Auからなるアロイオーミック電極を形成し、図4に示されるような上部電極37及び下部電極33とする。上部電極37及び下部電極33は、それぞれリソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離等の工程を含むリフトオフ法によって形成し、赤外線を透過する窓構造及び電極構造を所望の形状で所望の位置に形成する。   Next, an alloy ohmic electrode made of AuGe / Ni / Au is formed to form an electrode of the upper contact layer 35 and the lower contact layer 31, and the upper electrode 37 and the lower electrode 33 as shown in FIG. 4 are formed. The upper electrode 37 and the lower electrode 33 are respectively formed by a lift-off method including steps of lithography, metal deposition, resist peeling and the like, and an infrared ray transmitting window structure and an electrode structure are formed in desired shapes and in desired positions.

以上により、図4に示す赤外線検出素子2が完成する。   Thus, the infrared detection element 2 shown in FIG. 4 is completed.

なお、上記製造方法においては、量子ドット25aaを含む光吸収層やそれらの周辺構造をMBE法によって形成しているが、成長方法はこの方法に限定されるものではない。例えば、これらの構造を有機金属気相成長法(MOCVD法)等の他の結晶成長法を用いて形成してもよい。   In addition, in the said manufacturing method, although the light absorption layer containing quantum dot 25aa and those periphery structures are formed by MBE method, the growth method is not limited to this method. For example, these structures may be formed using other crystal growth methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).

また、キャリア伝導層27、光吸収層25、キャリア供給層23等の材料組成、厚さ、材料構成は、本発明の効果を満たすものであれば上記に限定されることはない。   The material composition, thickness, and material configuration of the carrier conductive layer 27, the light absorption layer 25, the carrier supply layer 23 and the like are not limited to the above as long as the effects of the present invention are satisfied.

<第2実施形態>
次に、第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。図7は、第2実施形態にかかる赤外線検出素子2の電子のエネルギーバンド構造を示す図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. In addition, regarding the same configuration as the first embodiment, the same reference numeral is used, and the description is appropriately omitted. FIG. 7 is a view showing an electron energy band structure of the infrared detection element 2 according to the second embodiment.

第2実施形態にかかる赤外線検出素子の電子のエネルギーバンド構造は、第1実施形態の赤外線検出素子の電子のエネルギーバンド構造に対して、共鳴準位Lcが形成されている点が相違している。この共鳴準位Lcのエネルギーレベルは、第3量子準位L3のエネルギーレベルと等しい。   The energy band structure of electrons of the infrared detection element according to the second embodiment is different from the energy band structure of electrons of the infrared detection element of the first embodiment in that a resonance level Lc is formed. . The energy level of this resonance level Lc is equal to the energy level of the third quantum level L3.

そして、第1実施形態と同様に光吸収層25の第1量子準位L1の電子が、第1量子準位L1と第3量子準位L3とのエネルギー差に等しいエネルギーの赤外線を吸収して第3量子準位L3に遷移する。   Then, as in the first embodiment, the electrons in the first quantum level L1 of the light absorption layer 25 absorb infrared rays of energy equal to the energy difference between the first quantum level L1 and the third quantum level L3. It transitions to the third quantum level L3.

このときキャリア供給層23の量子準位Laの電子は、第4量子準位L4を介して電気伝導度の高いサブバンド準位Lmを伝導して上部コンタクト層35に到達する。   At this time, electrons of the quantum level La of the carrier supply layer 23 conduct the subband level Lm with high electrical conductivity via the fourth quantum level L4 to reach the upper contact layer 35.

一方、第3量子準位L3に遷移した電子は、第2量子準位L2及び第1量子準位L1に緩和する確率よりも高い確率で、光吸収層25とキャリア伝導層27との間のポテンシャルバリアをトンネルして共鳴準位Lcに移動する。この共鳴準位Lcは、コラムナ量子ドット27aの成長条件を変える(例えば、成長温度を変える)ことで生成できる。   On the other hand, the electrons transited to the third quantum level L3 have a higher probability than the probability of relaxing to the second quantum level L2 and the first quantum level L1 between the light absorption layer 25 and the carrier conduction layer 27. The potential barrier is tunneled to move to the resonance level Lc. The resonance level Lc can be generated by changing the growth conditions of the columna quantum dots 27a (for example, changing the growth temperature).

第3量子準位L3に遷移した電子は高い確率で共鳴準位Lcにトンネルするため、第3量子準位L3から第1量子準位L1に緩和する確率が低下する。即ち、赤外線の吸収で励起された電子を効率よくキャリア伝導層に伝導させることが可能になる。このため、第1実施形態と比較して式4におけるキャリアの再結合時間τが大きくなり、赤外線検出素子2の光伝導利得が増加する利点がある。 Since the electron transited to the third quantum level L3 tunnels to the resonance level Lc with high probability, the probability of relaxation from the third quantum level L3 to the first quantum level L1 decreases. That is, it becomes possible to efficiently conduct electrons excited by absorption of infrared light to the carrier conduction layer. Therefore, as compared with the first embodiment, the carrier recombination time τ R in Equation 4 is increased, and there is an advantage that the photoconductive gain of the infrared detection element 2 is increased.

<第3実施形態>
次に、第3実施形態を説明する。なお、第1実施形態及び第2実施形態と同一構成に関しては、同一符号を用い説明を適宜省略する。
Third Embodiment
Next, a third embodiment will be described. In addition, regarding the same configuration as the first embodiment and the second embodiment, the same reference numerals are used, and the description will be appropriately omitted.

図8は、第3実施形態にかかる赤外線検出素子の電子のエネルギーバンド構造を示した図である。第3実施形態にかかる赤外線検出素子のエネルギーバンド構造は、第1実施形態にかかる赤外線検出素子のエネルギーバンド構造に対して、第1量子準位L1の波動関数W1と第2量子準位L2の波動関数W2との偶奇性が等しくなるように形成されている点が相違する。   FIG. 8 is a diagram showing an energy band structure of electrons of the infrared detection element according to the third embodiment. The energy band structure of the infrared detection element according to the third embodiment is the same as the energy band structure of the infrared detection element according to the first embodiment in terms of the wave function W1 of the first quantum level L1 and the second quantum level L2. The difference is that the evenness and oddity with the wave function W2 are formed to be equal.

量子力学によれば、量子準位間の光の放出、吸収を伴う光学遷移は偶奇性の異なる波動関数の間でのみ許容されるので、波動関数W1と波動関数W2との偶奇性が等しい場合には、電子は第1量子準位L1と第2量子準位L2との間で光放出に伴う緩和、光励起に伴う励起を起こさない。そこで、第1量子準位L1の波動関数W1と第2量子準位L2の波動関数W2とは、対称な波動関数(即ち、偶のパリティ)を持つ構成となっている。   According to quantum mechanics, light emission between quantum levels and optical transition accompanied by absorption are permitted only between wave functions with different evenness and oddity, so the case where the evenness between the wave function W1 and the wave function W2 is equal In addition, the electrons do not cause relaxation with light emission and excitation with light excitation between the first quantum level L1 and the second quantum level L2. Therefore, the wave function W1 of the first quantum level L1 and the wave function W2 of the second quantum level L2 are configured to have symmetrical wave functions (that is, even parity).

このような構成で、光吸収層25の第1量子準位L1と第3量子準位L3とのエネルギー差に等しいエネルギーの赤外線を第1量子準位L1の電子が吸収すると、電子は第3量子準位L3にのみ遷移する。そして、キャリア供給層23の量子準位Laの電子は、第2量子準位L2を介して電気伝導度の高いサブバンド準位Lmを優先的に伝導して、上部コンタクト層35に到達する。   In such a configuration, when an electron of the first quantum level L1 absorbs an infrared ray having an energy equal to the energy difference between the first quantum level L1 and the third quantum level L3 of the light absorption layer 25, the electron is It transitions only to the quantum level L3. Then, electrons of the quantum level La of the carrier supply layer 23 preferentially conduct through the second quantum level L2 to the subband level Lm having high electrical conductivity to reach the upper contact layer 35.

第1実施形態においては、第3量子準位L3に遷移した電子は、第2量子準位L2に緩和した(準位を下げる)後、第1量子準位へと緩和をする。しかし、本第3実施形態においては、第1量子準位L1の波動関数W1と第2量子準位L2の波動関数W2とは偶奇性が等しいため、光放出に伴う緩和が起こらず、第2量子準位L2の電子の寿命は長くなるため、サブバンド準位Lmに伝導する確率が向上する。即ち、光吸収による第2量子準位が効率よく第4量子準位に変わり、赤外線の検出感度が向上する。   In the first embodiment, after the electrons transited to the third quantum level L3 are relaxed to the second quantum level L2 (level is lowered), they are relaxed to the first quantum level. However, in the third embodiment, since the wave function W1 of the first quantum level L1 and the wave function W2 of the second quantum level L2 are equal in evenness, relaxation due to light emission does not occur. Since the lifetime of the electrons of the quantum level L2 is extended, the probability of conduction to the subband level Lm is improved. That is, the second quantum level by light absorption is efficiently changed to the fourth quantum level, and the detection sensitivity of infrared rays is improved.

また、第2量子準位L2から第1量子準位L1に緩和する確率が小さくなるので、式4におけるキャリアの再結合時間τが大きくなり、赤外線検出素子2の光伝導利得が増加する効果がある。 Further, since the probability of relaxation from the second quantum level L2 to the first quantum level L1 decreases, the carrier recombination time τ R in Equation 4 increases, and the photoconductive gain of the infrared detection element 2 increases. There is.

上記各実施形態において説明した赤外線検出素子は、中赤外及び中遠赤外領域において高感度な赤外線検出装置や光トランジスタに適用することが可能である。   The infrared detection element described in each of the above embodiments can be applied to a high sensitivity infrared detection device or a phototransistor in the mid-infrared and mid-far infrared regions.

また、特定の波長を選択的に受信することが必要となる通信用の受光器といった用途にも適用可能であることを付言する。   In addition, it is added that it is applicable to the application such as a light receiver for communication in which it is necessary to selectively receive a specific wavelength.

以上、実施形態(及び実施例)を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態(及び実施例)に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願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 above with reference to the embodiment (and the example), the present invention is not limited to the above embodiment (and the example). The configurations and details of the present invention can be modified in various ways that can be understood by those skilled in the art within the scope of the present invention.

2 赤外線検出素子
10 基板部
11 半導体基板
13 緩衝層
20 機能部
21 下部層
23 キャリア供給層
23a 第1中間層
23b 量子井戸層
23c 第2中間層
25 光吸収層
25a 量子ドット層
25aa 量子ドット
25ab 量子ドット埋込層
25b 第3中間層
27 キャリア伝導層
27a コラムナ量子ドット
27b 第4中間層
30 コンタクト部
31 下部コンタクト層
33 下部電極
35 上部コンタクト層
37 上部電極
Reference Signs List 2 infrared detecting element 10 substrate portion 11 semiconductor substrate 13 buffer layer 20 functional portion 21 lower layer 23 carrier supply layer 23a first intermediate layer 23b quantum well layer 23c second intermediate layer 25 light absorption layer 25a quantum dot layer 25aa quantum dot 25ab quantum Dot buried layer 25b Third intermediate layer 27 Carrier conductive layer 27a Columnar quantum dot 27b Fourth intermediate layer 30 Contact portion 31 Lower contact layer 33 Lower electrode 35 Upper contact layer 37 Upper electrode

Claims (10)

半導体量子ドットを含む赤外線検出素子であって、
前記赤外線検出素子を伝導する電子を捕獲する量子準位のエネルギーレベルを含むキャリア供給層と、
前記半導体量子ドットを含み、該半導体量子ドットが前記キャリア供給層からの前記電子を捕獲するエネルギーレベルの第1量子準位、該第1量子準位よりエネルギーレベルが低く、当該第1量子準位に捕獲されている電子とクーロン相互作用してエネルギーレベルが第4量子準位に変化する第2量子準位、該第2量子準位よりエネルギーレベルの低い第3量子準位の少なくとも3つの量子準位を持つ光吸収層と、
前記キャリア供給層における前記量子準位と概ねエネルギーレベルの等しいサブバンド準位を持つキャリア伝導層と、を備え、
前記光吸収層が所定波長の光を吸収して前記第1量子準位に捕獲されている電子が前記第3量子準位に励起されて前記第1量子準位に捕獲されている電子数が減少することにより、前記第4量子準位が前記キャリア供給層における前記量子準位と前記サブバンド準位とに概ね等しいエネルギーレベルになると、前記キャリア供給層における前記量子準位に捕獲されている電子が、前記第4量子準位を経て前記サブバンド準位を伝導することを特徴とする赤外線検出素子。
An infrared detection device comprising a semiconductor quantum dot,
A carrier supply layer including energy levels of quantum levels that capture electrons conducted through the infrared detection element;
The first quantum level of the energy level at which the semiconductor quantum dot captures the electrons from the carrier supply layer, the energy level is lower than the first quantum level, and the first quantum level includes the semiconductor quantum dot. The second quantum level whose energy level changes to the fourth quantum level by Coulomb interaction with electrons trapped in the second quantum level, and at least three quantum levels of the third quantum level whose energy level is lower than that of the second quantum level A light absorption layer having a level,
A carrier conduction layer having a subband level substantially equal in energy level to the quantum level in the carrier supply layer;
The light absorption layer absorbs light of a predetermined wavelength, and the electrons trapped in the first quantum level are excited to the third quantum level, and the number of electrons trapped in the first quantum level is The fourth quantum level is captured by the quantum level in the carrier supply layer when the fourth quantum level has an energy level substantially equal to that of the quantum level in the carrier supply layer and the sub-band level. An infrared detection element characterized in that electrons conduct the sub-band level via the fourth quantum level.
請求項1に記載の赤外線検出素子であって、
前記キャリア供給層は、第1中間層、量子井戸層、第2中間層の積層体により形成され、かつ、前記量子井戸層のバンドギャップが前記第1中間層及び前記第2中間層のバンドギャップより小さい材料により形成されて、当該量子井戸層に前記キャリア供給層における前記量子準位が形成されていることを特徴とする赤外線検出素子。
The infrared detection device according to claim 1, wherein
The carrier supply layer is formed of a laminate of a first intermediate layer, a quantum well layer, and a second intermediate layer, and the band gap of the quantum well layer is the band gap of the first intermediate layer and the second intermediate layer. An infrared detection device characterized in that the quantum level in the carrier supply layer is formed in the quantum well layer by using a smaller material.
請求項1又は2に記載の赤外線検出素子であって、
前記キャリア伝導層は、前記光吸収層から積み上げる方向に複数の量子ドットが連結したコラム量子ドットを含むことを特徴とする赤外線検出素子。
The infrared detection device according to claim 1 or 2, wherein
The carrier conducting layer, an infrared detection element which comprises a column Na quantum dots plurality of quantum dots in the direction is connected to stack from the light absorbing layer.
請求項3に記載の赤外線検出素子であって、
前記コラム量子ドットは、前記光吸収層における前記量子ドットの直上に形成されていることを特徴とする赤外線検出素子。
The infrared detection device according to claim 3,
The column Na quantum dots, infrared detecting device characterized by being formed directly on the quantum dot in the light-absorbing layer.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の赤外線検出素子であって、
前記光吸収層に接する前記キャリア伝導層の近傍領域に前記第3量子準位と概ね同じエネルギーレベルの共鳴準位が形成されていることを特徴とする赤外線検出素子。
The infrared detection element according to any one of claims 1 to 4, wherein
An infrared detection element characterized in that a resonance level of substantially the same energy level as the third quantum level is formed in a region near the carrier conduction layer in contact with the light absorption layer.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線検出素子であって、
前記第1量子準位の結晶成長方向に対する波動関数と前記第2量子準位の結晶成長方向に対する波動関数との偶奇性が等しいことを特徴とする赤外線検出素子。
The infrared detection device according to any one of claims 1 to 5, wherein
An infrared detection element characterized in that the even function of the wave function with respect to the crystal growth direction of the first quantum level and the wave function with respect to the crystal growth direction of the second quantum level are equal.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の赤外線検出素子を1次元又は2次元に配置して形成したことを特徴とする赤外線検出装置。   An infrared detection apparatus characterized in that the infrared detection element according to any one of claims 1 to 6 is arranged in one dimension or two dimensions. 半導体量子ドットを含む赤外線検出素子の製造方法であって、
前記赤外線検出素子を伝導する電子を捕獲する量子準位のエネルギーレベルを含むキャリア供給層を形成し、
前記半導体量子ドットを含み、該半導体量子ドットが前記キャリア供給層からの前記電子を捕獲するエネルギーレベルの第1量子準位、該第1量子準位よりエネルギーレベルが低く、当該第1量子準位に捕獲されている電子とクーロン相互作用してエネルギーレベルが第4量子準位に変化する第2量子準位、該第2量子準位よりエネルギーレベルの低い第3量子準位の少なくとも3つの量子準位を持つ光吸収層を前記キャリア供給層に対して積層して形成し、
前記キャリア供給層における前記量子準位と概ねエネルギーレベルの等しいサブバンド準位を持つキャリア伝導層を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
A method of manufacturing an infrared detection element including a semiconductor quantum dot, comprising:
Forming a carrier supply layer including energy levels of quantum levels that capture electrons conducted through the infrared detection element;
The first quantum level of the energy level at which the semiconductor quantum dot captures the electrons from the carrier supply layer, the energy level is lower than the first quantum level, and the first quantum level includes the semiconductor quantum dot. The second quantum level whose energy level changes to the fourth quantum level by Coulomb interaction with electrons trapped in the second quantum level, and at least three quantum levels of the third quantum level whose energy level is lower than that of the second quantum level Forming a light absorption layer having a level with the carrier supply layer;
3. A method of manufacturing an infrared detection device, comprising: forming a carrier conduction layer having a subband level substantially equal to the quantum level in the carrier supply layer with an energy level.
請求項8に記載の赤外線検出素子の製造方法であって、
前記キャリア供給層を第1中間層、量子井戸層、第2中間層の積層体により形成し、かつ、その際に前記量子井戸層のバンドギャップが前記第1中間層及び前記第2中間層のバンドギャップより小さい材料により形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the infrared detection element according to claim 8.
The carrier supply layer is formed of a laminate of a first intermediate layer, a quantum well layer, and a second intermediate layer, and the band gap of the quantum well layer is the same as that of the first intermediate layer and the second intermediate layer. A manufacturing method of an infrared detection element characterized by forming with a material smaller than a band gap.
請求項8又は9に記載の赤外線検出素子の製造方法であって、
前記キャリア伝導層を形成する際に、前記光吸収層から積み上げる方向に複数の量子ドットが連結してコラム量子ドットを形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。

A method of manufacturing an infrared detection element according to claim 8 or 9, wherein
Wherein in forming the carrier conduction layer, method for manufacturing an infrared detecting element, wherein a plurality of quantum dots in a direction to stack from the light-absorbing layer forms a column Na quantum dots linked.

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