JP6520166B2 - 赤外線検出素子、その製造方法及び赤外線検出器 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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、

の式１で表される。ここで、Ｒ_ｐは検知波長λ_ｐ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_ｎはノイズ電流である。

ノイズ電流ｉ_ｎの主因は、暗電流であり、

の式２で表される。ここでｅは素電荷、Ｉは暗電流である。

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_ｐにおける受光感度Ｒ_ｐ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。

また、光伝導型の赤外線検出素子であるＱＤＩＰの受光感度Ｒ_ｐは、

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。

式３から、ら所望の波長λ_ｐに対して大きい受光感度Ｒ_ｐ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。

光伝導利得ｇは、

の式４で表される。ここで、τ_Ｔは赤外線検出素子を流れるキャリア走行時間、τ_Ｒはキャリアの再結合時間である。

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_Ｔを短くし、かつ、再結合時間τ_Ｒを長くすることが必要となる。

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_Ｔは、

の式５で表される。

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_Ｔ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。

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。

特許第４０６６００２号公報

Ｓ．Ｋｒｉｓｈｎａほか、ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ８３巻、１４号、２７４５〜２７４７頁（２００３年発行）

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。

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。

先に述べたように、受光感度Ｒ_ｐ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_ｎ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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態にかかる赤外線検出素子の断面図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_Ｔ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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

次に、Ｓｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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１×１０^１１個程度である。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、第４中間層２７ｂの上に、Ｓｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−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。

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。

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。

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。

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。

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。

以上により、図４に示す赤外線検出素子２が完成する。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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_Ｒ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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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_Ｒ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。

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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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ナ量子ドットを含むことを特徴とする赤外線検出素子。
4. 請求項３に記載の赤外線検出素子であって、
   前記コラムナ量子ドットは、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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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ナ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。
    
    

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