JP2006310427A

JP2006310427A - 光検知器

Info

Publication number: JP2006310427A
Application number: JP2005129005A
Authority: JP
Inventors: Yasuhito Uchiyama; 靖仁内山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】光検知器に関し、例えば赤外線吸収に量子ドット構造を用いた場合、量子ドット素子温度が高い場合などに起こる暗電流が光電流に対して非常に大きい条件下に於いても、信号雑音比を高くすることできるようにする。
【解決手段】同じ素子構造をもつ２つの光検知素子である第１の量子ドット素子２１及び第２の量子ドット素子２２が空洞２３を介して光の入射方向に対して垂直に対向して重ねられ、且つ、空洞２３の一部を占有する固化物質である半導体部２３Ａで結合された構造を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子ドット構造を赤外線吸収部として赤外線を検知するのに好適な光検知器の改良に関する。

近年、赤外線を検知するのに有効であるとして、量子ドット型赤外線検知器（ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｉｎｆｒａｒｅｄｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤＩＰ）と呼ばれる光検知器が知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。

図６はＱＤＩＰに流れる電流を説明する為の図であり、入射する赤外線ＩＲが量子ドット素子１の基底準位に位置する電子を励起し、量子ドット素子１に印加された電圧Ｖ_bに依って、前記励起電子が電流、即ち、光電流Ｉ_pとして流れる。

また、基底準位に位置する電子は、光（赤外線ＩＲ）のみならず量子ドット素子１そのものの熱（温度）によっても励起され、暗電流Ｉ_dとなるため、量子ドット素子１に流れる電流は、これら電流の和Ｉ_p＋Ｉ_dとなる。

この電流を信号処理回路内の蓄積容量に所定時間（蓄積時間τ）入力し、その両端の電圧を読み取り、その電圧を光を入射させない場合に得られる電圧と比較することで光入射による電圧出力を得ている。

このときの検知器の信号雑音比は次のように表される。蓄積容量の上限および蓄積容量の両端に加えられる電圧の上限は処理回路により制限されるので、それぞれをＣ₀、Ｖ₀とする。蓄積時間に依って出力電圧を変えられる場合には、出力電圧が最大になるように蓄積時間を設定することに依って最大の信号雑音比が得られることから、蓄積時間は

の式で設定される。

このとき光電流Ｉ_pによる信号出力Ｖ_sは、光電流を蓄積容量に、時間τの間、蓄積したときに蓄積容量の両端に加わる電圧であるため、

の式で表される。また、この量子ドット素子のような光伝導型素子の場合、雑音電流は、量子ドット素子に流れる全電流をＩとした場合、

の式で表される。ここでは、全電流がＩ_p＋Ｉ_dであるから、雑音電流は

である。このとき出力電圧の雑音成分は

と表される。信号雑音比はこれらの比により表されるため

となる。

数６に於ける式（６ｂ）から判るように、暗電流が光電流に対して小さいほど光検知器の信号雑音比を高くすることができる。そこで、従来のＱＤＩＰでは、冷凍機を用いて液体窒素温度程度に冷却する使用形態を採ることに依り、暗電流の低減を図っている。

通常、冷凍機を使用した場合、光検知器全体の容積及び電力の増加に結び付く為、その使用は避けたいところであるが、使用しなければ、熱励起に起因する暗電流が急増し、信号雑音比が低下する旨の問題が発生する。

ところで、前記説明したＱＤＩＰの他、赤外線吸収部として量子井戸構造を用いた量子井戸型赤外線検知器が知られていて、この量子井戸型赤外線検知器においても、ＱＤＩＰと同様の課題を負っているところから、この課題を解決する為の努力がなされている（例えば、特許文献１を参照。）。

図７は公知の量子井戸型赤外線検知器を表す要部切断側面図であり、図に於いて、１１は第１の量子井戸素子、１２は第２の量子井戸素子、１３は低屈折材料層、１４は反射型回折格子をそれぞれ示している。

図７から明らかであるが、この量子井戸型赤外線検知器では、同じ素子構造をもつ２つの量子井戸素子１１及び１２が赤外線の入射方向に対し垂直に重なり、それらの間が各量子井戸素子に比較して低い屈折率をもつ材料層１３で満たされた構造を以て赤外線吸収部としている。

赤外線が入射する側の素子を第１の量子井戸素子１１、それに低屈折率材料層１３を介して積層された他方の素子を第２の量子井戸素子１２とし、赤外線が入射する面とは反対側の面に反射型回折格子１４が設けられている。

検知器に入射した赤外線は、第１の量子井戸素子１１、低屈折率材料層１３、第２の量子井戸素子１２の中を通過して反射型回折格子１４に達し、そこである角度をもって反射される。反射された赤外線はある角度をもっているため、入射したときとは異なり第２の量子井戸素子１２から低屈折率材料層１３へ進入することができずに反射される。

量子井戸素子は、量子井戸層に対して垂直に電界をもつ光しか吸収することができない為、量子井戸素子に垂直に入射した状態の赤外線は吸収することができない（１５Ａ）。そして、反射型回折格子１４によって反射された赤外線は量子井戸層に対して垂直な方向に電界をもつため、量子井戸素子１２によって吸収されて光電流となりうる（１５Ｂ）。

そこで、量子井戸素子１１および量子井戸素子１２にそれぞれ電極を設けて電流を取り出した場合、量子井戸素子１１では暗電流のみが、また、量子井戸素子１２では暗電流と光電流の和の電流が得られる。そこで、これらの電流の差をとることにより、光電流のみが得られ、高い信号雑音比で電流を検出することができるとされている。

さて、この量子井戸型赤外線検知器の構造をＱＤＩＰにも応用できないかと云うことになるが、その場合、量子井戸素子１１を第１の量子ドット素子に、そして、量子井戸素子１２を第２の量子ドット素子にそれぞれ置き換えることになろう。

然しながら、量子ドット素子は赤外線の電界がどの方向へ向いていようとも、その赤外線を吸収することが可能であるから、量子井戸素子１１に置換した第１の量子ドット素子においても赤外線が吸収されてしまい、従って、十分に高い信号雑音比を実現することは困難である。
特開２０００−１８３３１９号公報特開２０００−１２４４０８号公報Ｅｕｉ−ＴａｅＫｉｍ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４，３２７７（２００４）

本発明に依る光検知器では、例えば赤外線吸収に量子ドット構造を用いた場合、量子ドット素子温度が高い場合などに起こる暗電流が光電流に対して非常に大きい条件下に於いても、信号雑音比を高くすることできるようにする。

本発明に依る光検知器に於いては、同じ素子構造をもつ２つの光検知素子が空洞を介して光の入射方向に対して垂直に対向して重ねられ、且つ、前記空洞の一部を占有する固化物質で結合された構造を備えてなることが基本になっている。尚、固化物質としては、通常、半導体を用いる。

前記手段を採ることに依り、光干渉計原理に依り、２つの光検知素子に流れる光電流に差を生じさせ、暗電流を含めた全電流の差分をとることで、暗電流が大きくなる条件の下に於いても、光検知性能を向上させることができる。

図１は量子ドット構造を赤外線吸収部とする赤外線検知器を表す要部切断側面図であって、２１は第１の量子ドット素子、２２は第２の量子ドット素子、２３は空洞、２３Ａは第１の量子ドット素子２１と第２の量子ドット素子２２とを結ぶ半導体部をそれぞれ示している。尚、赤外線は第１の量子ドット素子２１側から入射する。

空洞２３の幅ｄが２．５μｍであるとき、波長１０μｍの赤外線が検知器に対し垂直な方向に入射した場合、中間層を空洞とみなしたファブリ・ペロー干渉計原理の考察を適用して解析すると、第１の量子ドット素子２１内と第２の量子ドット素子２２内に於ける赤外線の強度は従来の構造に比較して１及び０．３となる。

図２は中間層を空洞とみなしたファブリ・ペロー干渉計原理の考察について説明する為の図であり、図１に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

ここでは、量子ドット素子は屈折率が約３．３であるＧａＡｓ系の半導体であることを想定し、量子ドット素子２１と量子ドット素子２２に同電圧Ｖ_bを印加し他場合、光電流も赤外線の強度に比例した量Ｉ_pとして０．３１_pとなる。

また、素子構造が同じであることから量子ドット素子２１の暗電流と量子ドット素子２２の暗電流は等しくＩ_dであるため、それぞれの素子に流れる電流はＩ_p＋Ｉ_d、即ち、０．３１_p＋Ｉ_dとなる。

図３は赤外線検知器に用いるのに好適な信号処理系である電流差分型回路を表す要部回路図であり、図１及び図２に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

図３の信号処理系に用いると、電流出力はそれらの電流の差０．７１_pとなり、この電流を蓄積容量にある時間（蓄積時間τ）入力し、その両端の電圧を読み取ることで、光入射による電圧出力を得ることができる。

このときの検知器に於ける信号雑音比について説明すると次のようになる。蓄積容量の上限および蓄積容量の両端に加えられる電圧の上限は信号処理系の回路により制限され、それぞれをＣ₀及びＶ₀とする。蓄積時間により出力電圧を変えられる場合には、出力電圧が最大になるように蓄積時間を設定することにより概ね最高の信号雑音比が得られることから、蓄積時間は

と設定される。このとき光電流による信号出力Ｖ_sは

と表される。雑音電流は、量子ドット素子２１の雑音電流Ｉ_n1及び量子ドット素子２２の雑音電流Ｉ_n2を用いて

と表される（数９の式については後に詳細に考察する。）。

量子ドット素子２１及び２２の雑音電流は数３の式を用い、それぞれ

と表されるため、雑音電流は

となる。このとき出力電圧の雑音成分は

と表される。信号雑音比はこれらの比により表されるため

となる。

本発明における信号雑音比は従来の信号雑音比に対して

となる。暗電流が光電流に比べ十分に大きくなる条件下で、この式は

と近似される。同条件下において、右辺は１より十分大きい値なるため、本発明により信号雑音比が向上する効果が得られることは明らかである。
尚、入射赤外線の波長λ₀と空洞の幅ｄとの関係が

であるように設定した場合、量子ドット素子２１での赤外線の強度と量子ドット素子２２での赤外線の強度との差が最大となるため、本発明による効果を最大限に得ることができる。

ここで、数９の式についての考察、即ち、差分電流を蓄積容量に入力したときの出力電圧雑音についての考察を行なう。

電流Ｉ₁（ｔ）及び電流Ｉ₂（ｔ）の差分電流を蓄積容量Ｃ₀に時間τの間入力したときに出力される電圧は

で表される。括弧内の第１項および第２項はそれぞれ電流Ｉ₁および電流Ｉ₂の平均値であり、

と表すことができる。数１８の式（ａ−４）から、出力電圧は差分電流に比例するため、それぞれの雑音どうしも比例関係を持つことが分かり、数１２の式が得られる。また、数１８の式（ａ−５）から差分電流は２つの電流の差で表されるため、その雑音は２つの電流の雑音の二乗和で表され、数９が得られる。

図４及び図５は量子ドット構造を赤外線吸収部に用いた赤外線検知器を作成する工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。

図４参照
（１）
分子線エピタキシャル法を適用することに依り、ＧａＡｓ基板３１上に第１の量子ドット素子４１を構成する為のｎ型ＧａＡｓ層３２、量子ドット層３３、ｎ型ＧａＡｓ層３４を成膜する。

この場合、ｎ型ＧａＡｓ層３２或いは３４は、ｎ型不純物としてＳｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³程度にドーピングした厚さ５００ｎｍのＧａＡｓ層である。量子ドット層３３は、自己組織化量子ドット法により形成された１×１０¹¹／ｃｍ²程度の面密度をもつＩｎＡｓからなる量子ドット及び厚さ５０ｎｍ程度のｉ型ＧａＡｓ層を１０層程度積層した構造をもっている。

次いで、ｎ型ＧａＡｓ層３４上に厚さ２５００ｎｍ、Ａｌ組成比０．５程度のｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５を成膜する。

次いで、第２の量子ドット素子４２を構成する為のｎ型ＧａＡｓ層３６、量子ドット層３７、ｎ型ＧａＡｓ層３８を成膜する。尚、ここで、量子ドット素子４２は量子ドット素子４１と全く同じ構造になっている。

（２）
リソグラフィ技術に於けるレジストプロセスを適用することに依り、画素分離溝形成予定部分に開口をもつレジスト膜（図示せず）を形成する。

（３）
エッチングガスを塩素系ガスとするたＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマエッチング法を適用することに依り、工程（２）で形成したレジスト膜をマスクとして第２の量子ドット素子４２、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５、第１の量子ドット素子４１のエッチングを行ない、深さが例えば５．５μｍ程度である画素分離溝４３を形成する。

（４）
エッチングマスクとして用いたレジスト膜を除去してから、ＧａＡｓに対するＡｌＧａＡｓの選択比が高いエッチング液であるフッ酸溶液、或いは、塩酸溶液に浸漬することに依ってｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５のウェットエッチングを行なう（例えば、特許文献２を参照。）。

このエッチングでは、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５が選択的にエッチングされるので、時間制御に依って、略中央部分に幅が例えば５μｍであるｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５を残すようにする。図４に於いては、残されるｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５を破線で指示してある。尚、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５に対して選択性があるエッチング液を用いるとは云え、ＧａＡｓも或る程度エッチングされるので、そのエッチングされる分を破線４４で指示してある。

図５参照
（５）
ｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５の時間制御に依るエッチングが終了すると、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５が除去された部分には空洞３５Ａが生成される。

（６）
リソグラフィ技術に於けるレジストプロセスを適用することに依り、電極形成予定部分に開口をもつレジスト膜を第２の量子ドット素子４２の表面に形成する。

（７）
例えば塩素系ガスをエッチングガスとするＥＣＲプラズマエッチング法を適用することに依り、１つのｎ型ＧａＡｓ層、例えばｎ型ＧａＡｓ層３８の厚さ方向の半分の深さに達する電極コンタクトホールを形成する。

（８）
工程（６）及び（７）を繰り返すことで、他のｎ型ＧａＡｓ層３６、３４、３２それぞれの厚さ方向の半分の深さに達する電極コンタクトホールを形成する。この場合、ｎ型ＧａＡｓ層３３及び３２に達する電極コンタクトホールは、残留するｉ−ＡｌＧａＡｓ層３５を介して形成されることは云うまでもない。

（９）
プラズマＣＶＤ法を適用することに依り、全面にＳｉＯＮ膜を堆積してから、リソグラフィ技術に於けるレジストプロセスを適用することに依り、先に形成した４つ電極コンタクトホールに対応する開口をもつレジスト膜を形成する。

（１０）
フッ素系ガスをエッチングガスとするドライエッチング法を適用することに依り、電極コンタクトホールの中央部分に在るＳｉＯＮ膜をエッチング除去した後、マスクとして用いたレジスト膜を除去する。この工程を経ることで、電極コンタクトホールの内壁はＳｉＯＮ膜、即ち、絶縁膜４５で覆われたものとなる。

（１１）
リソグラフィ技術に於けるレジストプロセスを適用することに依り、４つの電極コンタクトホールに対応する開口をもつレジスト膜を形成する。

（１２）
スパッタリング法を適用することに依り、全面に電極となるＡｕ膜を成膜し、次いで、有機溶剤を用いてレジスト膜を溶解剥離し、Ａｕ膜のリフトオフに依るパターニングを行なって電極４６、４７、４８、４９を形成する。

（１３）
電極４６乃至４９を金属バンプや金属ワイヤー等を用いて図３について説明したような外部信号処理系と電気的接続を行なって、検知器に流れる電流を外部へ取り出すことができるようにする。因みに、図３を参照して説明すると、電極４６は−Ｖ_bに、電極４７及び４８は０Ｖに、電極４９はＶ_bにそれぞれ接続すれば良い。

前記説明したところから理解されようが、前記発明を実施する最良の形態では、赤外線吸収部に量子ドット素子を用いた例を主として説明したが、その原理からすれば、検知する光は赤外線のみでなく、例えば可視光であっても同様であり、赤外線吸収部或いは光吸収部が量子ドット素子である必要はなく、通常の受光素子であっても、一段と優れた効果が得られる。

量子ドット構造を赤外線吸収部とする赤外線検知器を表す要部切断側面図である。中間層を空洞とみなしたファブリ・ペロー干渉計原理の考察について説明する為の参考図である。赤外線検知器に用いるのに好適な信号処理系である電流差分型回路を表す要部回路図である。量子ドット構造を赤外線吸収部に用いた赤外線検知器を作成する工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。量子ドット構造を赤外線吸収部に用いた赤外線検知器を作成する工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。ＱＤＩＰに流れる電流を表す説明図である。公知の量子井戸型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。

符号の説明

２１第１の量子ドット素子
２２第２の量子ドット素子
２３空洞
２３Ａ第１の量子ドット素子２１と第２の量子ドット素子２２とを結ぶ半導体部

Claims

同じ素子構造をもつ２つの光検知素子が空洞を介して光の入射方向に対して垂直に対向して重ねられ、且つ、前記空洞の一部を占有する固化物質で結合された構造
を備えてなることを特徴とする光検知器。
光検知素子が量子ドット素子であること
を特徴とする請求項１記載の光検知器。
光検知素子が赤外線を検知するものであること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の光検知器。