[go: up one dir, main page]

JP2008187022A - Infrared detector - Google Patents

Infrared detector Download PDF

Info

Publication number
JP2008187022A
JP2008187022A JP2007019484A JP2007019484A JP2008187022A JP 2008187022 A JP2008187022 A JP 2008187022A JP 2007019484 A JP2007019484 A JP 2007019484A JP 2007019484 A JP2007019484 A JP 2007019484A JP 2008187022 A JP2008187022 A JP 2008187022A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum
quantum dot
electrode layer
conduction band
infrared detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007019484A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuhito Uchiyama
靖仁 内山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2007019484A priority Critical patent/JP2008187022A/en
Publication of JP2008187022A publication Critical patent/JP2008187022A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

【課題】量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子を価電子帯からの励起によって供給することにより、光の検知性能を向上させる。
【解決手段】量子ドットからなる層を複数積層した量子ドット積層構造と、p型電極層、n型電極層、および前記p型電極層とn型電極層との間に挟み込まれた量子井戸構造を有する半導体素子と、を備えることを特徴とする赤外線検知であり、半導体素子が量子ドット積層構造に接する位置に形成されている。
【選択図】図3
Light detection performance is improved by supplying a sufficient number of electrons to a conduction band quantum level in a quantum dot by excitation from a valence band.
A quantum dot stacked structure in which a plurality of layers made of quantum dots are stacked, a p-type electrode layer, an n-type electrode layer, and a quantum well structure sandwiched between the p-type electrode layer and the n-type electrode layer Infrared detection comprising: a semiconductor element comprising: a semiconductor element, wherein the semiconductor element is formed at a position in contact with the quantum dot stacked structure.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、本発明は量子ドット構造を赤外線吸収部とする赤外線検知器に関する。   The present invention relates to an infrared detector having a quantum dot structure as an infrared absorbing portion.

量子ドット型赤外線検知器(Quantum Dot Infrared Photodetector; QDIP)は、i型(
真性)GaAs層で挟み込まれたInAs量子ドットを有する。一般的に、材料内で電子の移動方向が1次元方向で束縛された状態を量子井戸といい、3次元のすべての方向で束縛された状態を量子ドットという。量子ドット内において、電子は、離散化されたエネルギー状態で存在する。
Quantum Dot Infrared Photodetector (QDIP) is an i-type (
(Intrinsic) It has InAs quantum dots sandwiched between GaAs layers. In general, a state in which the moving direction of electrons in a material is constrained in a one-dimensional direction is called a quantum well, and a state constrained in all three-dimensional directions is called a quantum dot. Within the quantum dot, electrons exist in a discrete energy state.

上記構造の量子ドット型赤外線検知器に外部から赤外線が入射すると、i型GaAs層に挟
み込まれたInAs量子ドット内の伝導帯量子準位に位置する電子がサブバンド間励起される。その結果、電子は量子ドットの束縛から離脱する。量子ドット型赤外線検知器は、このようにして伝導帯に励起された電子を電流(以下、光電流)として捕らえることにより赤外線を検知している。
When infrared rays are incident on the quantum dot infrared detector having the above structure, electrons located in the conduction band quantum level in the InAs quantum dots sandwiched between the i-type GaAs layers are excited between subbands. As a result, the electrons leave the quantum dot binding. The quantum dot infrared detector detects infrared rays by capturing electrons excited in the conduction band in this way as current (hereinafter referred to as photocurrent).

量子ドットは分子線エピタキシャル装置のなかで自己形成法により形成されるため、成長方向に対して垂直な面内(以下、層)に形成される。赤外線を検知する効率を高めるために、通常この層を複数層積層したものをデバイスとして用いる。   Since quantum dots are formed by a self-forming method in a molecular beam epitaxial apparatus, they are formed in a plane (hereinafter referred to as a layer) perpendicular to the growth direction. In order to increase the efficiency of detecting infrared rays, a device in which a plurality of layers are usually laminated is used as a device.

図1に、従来の量子ドット型赤外線検知器の積層構造を示す。従来は、この積層構造をn型GaAs電極で挟み込み、その電極間に電位差を与えておく。この電位差により、赤外線
によりサブバンド間励起された電子が電極間を流れ、光電流となる。図2に、光電流が流れるときのバンドプロファイルを示す。
FIG. 1 shows a laminated structure of a conventional quantum dot infrared detector. Conventionally, this laminated structure is sandwiched between n-type GaAs electrodes, and a potential difference is given between the electrodes. Due to this potential difference, electrons excited between subbands by infrared rays flow between the electrodes and become a photocurrent. FIG. 2 shows a band profile when a photocurrent flows.

図2のように、n型GaAs電極に電位差を与えたため、バンドプロファイルは、略右下が
りに傾いている。また、図2で、左側のn型GaAs電極と中央部の量子ドット積層構造(i型GaAs層部分)との間に、伝導帯端の盛り上がり(負の電位)部分が生じている。この伝導帯端の盛り上がりは、左側のn型GaAs電極からi型GaAs層部分へ拡散した電子、および、量子ドットに束縛された電子によって形成される。なお、図2に示すように、量子ドット部分のバンドプロファイルは、伝導帯の禁制帯との境界(伝導帯の下端)において下方向(正方向)への窪みを形成し、電子を束縛する構造となっている。また、価電子帯の禁制帯との境界(価電子帯の上端)では、上方向(負方向)への突出を形成し、ホールを束縛する構造となっている。量子ドット内で価電子帯から伝導帯への電子の励起が生じると、価電子帯端の突出部にホールが残され、伝導帯端の窪みに電子が蓄積されることになる。
As shown in FIG. 2, since a potential difference is applied to the n-type GaAs electrode, the band profile is inclined downward substantially to the right. In FIG. 2, a bulge (negative potential) portion of the conduction band edge occurs between the left n-type GaAs electrode and the central quantum dot stacked structure (i-type GaAs layer portion). The rise of the conduction band edge is formed by electrons diffused from the left n-type GaAs electrode to the i-type GaAs layer portion and electrons bound to the quantum dots. As shown in FIG. 2, the band profile of the quantum dot portion is a structure in which a depression is formed in the downward direction (positive direction) at the boundary between the conduction band and the forbidden band (the lower end of the conduction band) to bind electrons. It has become. In addition, at the boundary of the valence band with the forbidden band (the upper end of the valence band), a protrusion is formed in the upward direction (negative direction), and the hole is bound. When excitation of electrons from the valence band to the conduction band occurs in the quantum dot, holes are left in the protruding part at the valence band edge, and electrons are accumulated in the depression at the conduction band edge.

この量子ドットの伝導帯に電子が蓄積された状態で赤外線が入射すると、束縛されていた電子が、サブバンドの窪みを越えて量子ドットの束縛範囲外へ離脱することになる。   When infrared rays are incident while electrons are accumulated in the conduction band of the quantum dots, the bound electrons are disengaged beyond the subband depression range beyond the subband depression.

ところで、赤外線が入射していない状態においても、電極層間に加えられた電位差により低電位側電極層(図2において0Vと記載)に位置していた電子が電極層間を流れ、これは暗電流となる。検知器の性能は概ね光電流/暗電流比で表されるため、暗電流を増加させることなく光電流を増加させることが検知器の性能を向上させる上で一つの課題となっている。
Eui-Tae Kim et al., High detectivity InAs quantum dot infraredphotodetectors, Applied physics letters, 米国, American Institute of Physics, 2004年4月26日, vol.84, number17, p.3277-3279
By the way, even in the state where infrared rays are not incident, electrons located in the low potential side electrode layer (described as 0 V in FIG. 2) flow between the electrode layers due to the potential difference applied between the electrode layers. Become. Since the performance of the detector is generally expressed by a photocurrent / dark current ratio, increasing the photocurrent without increasing the dark current is one problem in improving the performance of the detector.
Eui-Tae Kim et al., High detectivity InAs quantum dot infraredphotodetectors, Applied physics letters, USA, American Institute of Physics, April 26, 2004, vol.84, number17, p.3277-3279

光電流を高めるためには、予め量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子が存在している必要がある。従来、量子ドットや量子ドットを挟み込むi型GaAs層にn型不純物添加を行うことで量子準位に電子を供給する試みがされてきた。しかし、熱などによりひとたび量子ドット外へ放出された電子は、準位の離散化が進んだ量子ドット内の量子準位へは緩和されにくい(遷移しにくい)。その結果充分な量の電子を量子ドット内の伝導帯量子準位へ供給することは困難であった。したがって、伝導帯量子準位に充分な数の電子を直接供給することが課題となる。   In order to increase the photocurrent, it is necessary that a sufficient number of electrons exist in the conduction band quantum level in the quantum dot in advance. Conventionally, attempts have been made to supply electrons to quantum levels by adding n-type impurities to quantum dots or i-type GaAs layers sandwiching quantum dots. However, electrons once released outside the quantum dot due to heat or the like are not easily relaxed (not easily transitioned) to the quantum level in the quantum dot whose level has been discretized. As a result, it was difficult to supply a sufficient amount of electrons to the conduction band quantum level in the quantum dot. Therefore, it is a problem to directly supply a sufficient number of electrons to the conduction band quantum level.

本発明の目的は、量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子を直接供給することにより、光の検知性能を向上させた量子ドット型赤外線検知器を供給することにある。   An object of the present invention is to provide a quantum dot infrared detector with improved light detection performance by directly supplying a sufficient number of electrons to the conduction band quantum level in the quantum dot.

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、量子ドットからなる層を複数積層した量子ドット積層構造と、p型電極層、n型電極層、および前記p型電極層とn型電極層との間に挟み込まれた量子井戸構造を有する半導体素子と、を備えることを特徴とする赤外線検知である。ここで、半導体素子が前記量子ドット積層構造に接する位置に形成されている。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the present invention provides a quantum dot stacked structure in which a plurality of layers composed of quantum dots are stacked, a p-type electrode layer, an n-type electrode layer, and a quantum sandwiched between the p-type electrode layer and the n-type electrode layer. Infrared detection comprising a semiconductor element having a well structure. Here, the semiconductor element is formed at a position in contact with the quantum dot stacked structure.

本発明によれば、量子井戸構造に電圧を加えることで価電子帯量子準位と伝導帯内量子準位間での電子の遷移により、その準位間のエネルギーをもつ光を発光させることができる。さらにその光が、量子ドット積層構造に入射し、エネルギー準位間で電子を励起できる。その結果、量子ドット積層構造内の伝導帯にて、束縛された電子を蓄積できる。このような状態で、本赤外線検知に赤外線が入射すると、束縛されていた電子が量子ドットの束縛から離脱し、光電流の増加に寄与する。   According to the present invention, by applying a voltage to the quantum well structure, light having energy between the levels can be emitted by transition of electrons between the valence band quantum level and the quantum level in the conduction band. it can. Further, the light enters the quantum dot stacked structure, and can excite electrons between energy levels. As a result, constrained electrons can be accumulated in the conduction band in the quantum dot stacked structure. In this state, when infrared rays are incident on the infrared detection, the bound electrons are released from the binding of the quantum dots and contribute to an increase in photocurrent.

本発明によれば、量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な数の電子を価電子帯からの励起によって供給することにより、光の検知性能を向上させることができる。   According to the present invention, the light detection performance can be improved by supplying a sufficient number of electrons to the conduction band quantum level in the quantum dot by excitation from the valence band.

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態という)に係る赤外線検知器について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。   Hereinafter, an infrared detector according to the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.

<発明の骨子>
図3に、本赤外線検知器の原理的構成を示す。本赤外線検知器は、量子井戸構造を有する半導体をさらにp型およびn型電極層で挟み込んだ構造の半導体素子を、量子ドット積層構造の傍らに形成する。
<Outline of the invention>
FIG. 3 shows the basic configuration of the infrared detector. In this infrared detector, a semiconductor element having a structure in which a semiconductor having a quantum well structure is further sandwiched between p-type and n-type electrode layers is formed beside the quantum dot stacked structure.

すなわち、図3において、真性(i型)インジウムガリウム砒素化合物(InGaAs)層をi型GaAs層で挟み込むことで、量子井戸構造が形成されている。この場合に、基板面の法線方向(層の面に垂直な方向)に1次元の井戸が形成される。さらに、この量子井戸構造をp型ガリウム砒素化合物(GaAs)電極とn型GaAs電極層とで挟み込んでいる。   That is, in FIG. 3, an intrinsic (i-type) indium gallium arsenide compound (InGaAs) layer is sandwiched between i-type GaAs layers to form a quantum well structure. In this case, a one-dimensional well is formed in the normal direction of the substrate surface (direction perpendicular to the layer surface). Further, this quantum well structure is sandwiched between a p-type gallium arsenide compound (GaAs) electrode and an n-type GaAs electrode layer.

一方、量子ドットを含む層は、i型GaAs層中にインジウム砒素化合物(InAs)を組み込
むことで形成されている。この場合、i型GaAs層中のInAs部分が、3次元方向に電子を閉
じこめる井戸である、量子ドットを形成する。そのような量子ドットを含む層を複数層重ねて積層構造が形成されている。さらに、量子ドット積層構造をn型GaAs電極層の間に挟
み込んでいる。
On the other hand, the layer containing quantum dots is formed by incorporating indium arsenic compound (InAs) into the i-type GaAs layer. In this case, the InAs portion in the i-type GaAs layer forms a quantum dot, which is a well that confines electrons in a three-dimensional direction. A stacked structure is formed by stacking a plurality of layers including such quantum dots. Further, the quantum dot stacked structure is sandwiched between n-type GaAs electrode layers.

さらに、その量子井戸構造は、その量子井戸構造の伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差に対して±50meVのエネルギー範囲内に位置することとする。   Furthermore, the quantum well structure has an energy difference between the conduction band quantum level of the quantum well structure and the valence band quantum level, and the energy between the conduction band quantum level of the quantum dot and the valence band quantum level. It shall be located within the energy range of ± 50 meV with respect to the difference.

このようなエネルギー差の条件を満たすように、例えば量子ドット材料がInAs、それを挟み込む層材料がGaAs層であり、それらから派生する量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が、検知器の動作温度である液体窒素温度程度の温度において1.4eVである場合には、その量子井戸構造を、例えば範囲0.05から0.13に含まれるIn組成を持つ厚さ10nmのInGaAsを井戸層とし、GaAsを障壁層とする1次元量子井戸構造と
する。なお、組成比とは、インジウムガリウム砒素をInXGa1-XAsの式で表した場合には、xが0.05から0.13という意味である。
In order to satisfy this energy difference condition, for example, the quantum dot material is InAs, and the layer material sandwiching it is a GaAs layer, and the conduction band quantum level and valence band quantum level of the quantum dot derived from them are When the energy difference between them is 1.4 eV at a temperature of about the liquid nitrogen temperature that is the operating temperature of the detector, the quantum well structure has, for example, a thickness of 10 nm with an In composition included in the range 0.05 to 0.13. A one-dimensional quantum well structure having InGaAs as a well layer and GaAs as a barrier layer is employed. The composition ratio means that x is 0.05 to 0.13 when indium gallium arsenide is expressed by the formula In X Ga 1-X As.

図4に本実施形態の構造における伝導帯端および価電子帯端のバンドプロファイルを示す。量子井戸構造を挟み込んでいるp型GaAs電極層とn型GaAs電極層との間に正の電位差を加えると、n型GaAs電極層からは電子(e)が、p型GaAs電極層からはホール(h)がそれぞれ量子井戸構造の伝導帯および価電子帯量子準位へ供給される。   FIG. 4 shows band profiles at the conduction band edge and the valence band edge in the structure of this embodiment. When a positive potential difference is applied between the p-type GaAs electrode layer and the n-type GaAs electrode layer sandwiching the quantum well structure, electrons (e) are generated from the n-type GaAs electrode layer and holes are generated from the p-type GaAs electrode layer. (H) is supplied to the conduction band and valence band quantum levels of the quantum well structure, respectively.

電子とホールは量子井戸構造内においてバンド間緩和し、その際光を発する。量子井戸構造内の量子準位間エネルギー差と量子ドット内のそれとが略一致する場合、量子井戸構造から発せられた光は励起光となって量子ドット内で量子準位間をサブバンド間励起し、伝導帯量子準位に電子が、価電子帯量子準位にホールが生成される。   Electrons and holes relax between bands in the quantum well structure and emit light. When the energy difference between the quantum levels in the quantum well structure and that in the quantum dot substantially coincide, the light emitted from the quantum well structure becomes excitation light, and the intersubband excitation occurs between the quantum levels in the quantum dot. Then, electrons are generated in the conduction band quantum level and holes are generated in the valence band quantum level.

その結果、伝導帯量子準位(伝導帯端の窪み)に励起された電子が蓄積されることになる。このような状態で、赤外線が量子ドット積層構造に入射すると、伝導帯量子準位で束縛されている電子が束縛状態から開放され、量子井戸構造からの光による励起がない場合と比較して、検知される光電流が増加することになる。このようにして、図3および図4に示した構造によれば、量子ドット内の伝導帯量子準位に光電流の基となる電子が不純物の添加によらず価電子帯からの励起により供給されることとなるため、赤外線が入射したときに発生する光電流が増加する。   As a result, the excited electrons are accumulated in the conduction band quantum level (the depression at the conduction band edge). In such a state, when infrared rays are incident on the quantum dot stacked structure, electrons that are constrained by the conduction band quantum level are released from the constrained state, and compared with the case where there is no excitation by light from the quantum well structure, The detected photocurrent will increase. In this way, according to the structure shown in FIGS. 3 and 4, electrons serving as the basis of the photocurrent are supplied to the conduction band quantum level in the quantum dot by excitation from the valence band without addition of impurities. Therefore, the photocurrent generated when infrared rays are incident is increased.

なお、量子ドットの量子準位間エネルギー差は概ね±50meVのエネルギー分布を持つ。
すなわち、量子ドットの量子準位間エネルギー差は、±50meVの拡がりを持つため、この
エネルギー差の中心エネルギーに対し±50meVのエネルギー範囲内に、量子井戸構造の量
子準位間エネルギー差を分布させても上記と同様の現象が起こるといえる。
The energy difference between quantum levels of quantum dots has an energy distribution of approximately ± 50 meV.
In other words, the energy difference between quantum levels of quantum dots has a spread of ± 50 meV, so that the energy difference between quantum levels in the quantum well structure is distributed within the energy range of ± 50 meV with respect to the center energy of this energy difference. However, it can be said that the same phenomenon as described above occurs.

すなわち、量子井戸構造の量子準位間エネルギー差が拡がりを有する場合も、結果として光電流が増加する。一方、0.05および0.13のIn組成を持つ厚さ10nmのInGaAsを井戸層、GaAs層を障壁層とする1次元量子井戸構造では、その量子準位間エネルギー差は液体窒素温度程度の温度においてそれぞれ1.45eV、1.35eVとなる。このため、In組成をこれらの範囲内に設定することで1.4eVに対し±50meVのエネルギー範囲内に量子準位間エネルギーを位置させることが可能となる。また、量子ドットにおける価電子帯と伝導帯の量子準位間エネルギー差と、1次元量子井戸構造における価電子帯と伝導帯の量子準位間エネルギー差との差異は、概ね±50meVのオーダーとなる。その結果、量子井戸構造で発光した光に
よって量子ドットでの光電流を増加させることができる。
That is, when the energy difference between the quantum levels of the quantum well structure has a spread, the photocurrent increases as a result. On the other hand, in a one-dimensional quantum well structure in which InGaAs with an In composition of 0.05 and 0.13 is used as a well layer and a GaAs layer as a barrier layer, the energy difference between quantum levels is 1.45 at a temperature of about liquid nitrogen temperature. eV, 1.35eV. Therefore, by setting the In composition within these ranges, it is possible to position the energy between quantum levels within an energy range of ± 50 meV with respect to 1.4 eV. In addition, the difference between the energy level between the valence band and the conduction band in the quantum dot and the difference between the energy levels between the valence band and the conduction band in the one-dimensional quantum well structure is approximately ± 50 meV. Become. As a result, the photocurrent at the quantum dots can be increased by the light emitted from the quantum well structure.

ところで、量子ドット型赤外線検知器を流れる暗電流は、主に低電位側電極層(図4に
おいて0Vと記載)に対する量子ドット積層構造部分の伝導帯端(禁制帯との境界である伝導帯の下端)の盛り上がりに依存する。これは、この盛り上がりが低電位側電極層に位置する電子にとって障壁となることから、この盛り上がり量が大きいほど障壁エネルギーは高く、暗電流が小さくなることによる。
By the way, the dark current flowing through the quantum dot infrared detector is mainly caused by the conduction band edge of the quantum dot laminated structure portion with respect to the low potential side electrode layer (described as 0 V in FIG. 4) (conduction band which is a boundary with the forbidden band). Depends on the rise of the bottom edge. This is because this bulge becomes a barrier for electrons located in the low potential side electrode layer, so that the larger the bulge amount, the higher the barrier energy and the smaller the dark current.

従来構造および本実施形態における量子ドット積層構造部はi型半導体であり、低電位
側電極層と量子ドット積層構造部によるni接合とみなすことができる。したがって、これらの構造では低電位側電極層に対する量子ドット積層構造部分の伝導帯端の盛り上がり量は概ね等しいといえるため、従来構造および本実施形態の構造とで、暗電流量も等しい。
The conventional structure and the quantum dot stacked structure portion in this embodiment are i-type semiconductors, and can be regarded as an ni junction formed by the low potential side electrode layer and the quantum dot stacked structure portion. Therefore, in these structures, the amount of rise of the conduction band edge of the quantum dot stacked structure portion with respect to the low potential side electrode layer can be said to be substantially equal, so the dark current amount is also equal in the conventional structure and the structure of the present embodiment.

一方、量子ドットや量子ドットを挟み込むi型GaAs層にn型不純物添加を行った場合は、量子ドット積層構造部は平均してみるとn−型半導体である。上記接合はnn接合となるた
め低電位側電極層に対する量子ドット積層構造部分の伝導帯端の盛り上がり量はni接合の場合より小さく、暗電流量は大きくなる。ni接合は弱いnp接合というべき性質があり、n
型領域からi型領域への電子が拡散することにより、伝導帯端の負方向への盛り上がりを
形成し、一方、nn接合の場合にはそのような伝導帯端の盛り上がりはni接合に比べ小さくなるからである。
On the other hand, when an n-type impurity is added to the quantum dots or the i-type GaAs layer sandwiching the quantum dots, the quantum dot stacked structure is an n-type semiconductor on average. Since the junction is an nn junction, the amount of rise of the conduction band edge of the quantum dot stacked structure portion with respect to the low potential side electrode layer is smaller than that of the ni junction, and the dark current amount is larger. The ni junction has the property of being a weak np junction, and n
Diffusion of electrons from the mold region to the i-type region forms a bulge in the negative direction of the conduction band edge. On the other hand, in the nn junction, the bulge at the conduction band edge is smaller than that of the ni junction. Because it becomes.

したがって、量子ドットやその近傍にn型不純物を行うことによって量子ドット内の伝
導帯量子準位への電子の供給は増え、光電流の増加が見込まれるものの、同時に暗電流も増加するため、これらの方法では検知器性能としての光電流/暗電流比の改善は充分ではない。
Therefore, by supplying n-type impurities in the quantum dot and its vicinity, the electron supply to the conduction band quantum level in the quantum dot is increased and the photocurrent is expected to increase, but the dark current also increases at the same time. In this method, the improvement of the photocurrent / dark current ratio as the detector performance is not sufficient.

しかしながら、本実施形態の構造では、そのようなn型不純物添加は不要となるため、
暗電流量を増加させることなく光電流のみを増加させることができる。このため、従来構造や他の手段に比べ充分な光電流/暗電流比の改善が実現される。
However, in the structure of this embodiment, such an n-type impurity addition is unnecessary,
Only the photocurrent can be increased without increasing the amount of dark current. For this reason, a sufficient improvement in the photocurrent / dark current ratio is realized as compared with the conventional structure and other means.

<実施形態1>
図5に本発明の実施形態1に係る赤外線検知器の量子ドットの構造を示す。例えば分子線エピタキシャル法によりGaAs基板上にp型GaAs層を基板温度、例えば摂氏600度で成長する。厚さは例えば1000 nmとし、p型不純物として例えばBeを用いその濃度は例えば2×1018 / cm3とする。
<Embodiment 1>
FIG. 5 shows the structure of the quantum dot of the infrared detector according to Embodiment 1 of the present invention. For example, a p-type GaAs layer is grown on a GaAs substrate by a molecular beam epitaxial method at a substrate temperature, for example, 600 degrees Celsius. The thickness is 1000 nm, for example, Be is used as the p-type impurity, and its concentration is 2 × 10 18 / cm 3 , for example.

引き続き基板温度摂氏600度でi型GaAs層、i型InGaAs層、i型GaAs層を順に成長する。GaAs層の厚さは例えば50nm、InGaAs層の厚さは例えば10nmとする。InGaAs層のIn組成については範囲0.05〜0.13に含まれるよう、例えば0.09とする。   Subsequently, an i-type GaAs layer, an i-type InGaAs layer, and an i-type GaAs layer are grown in this order at a substrate temperature of 600 degrees Celsius. The thickness of the GaAs layer is 50 nm, for example, and the thickness of the InGaAs layer is 10 nm, for example. The In composition of the InGaAs layer is set to, for example, 0.09 so as to be included in the range of 0.05 to 0.13.

引き続きn型GaAs層を基板温度摂氏600度で成長する。厚さは例えば1000 nmとし、n型不純物として例えばSiを用いその濃度は2×1018 / cm3とする。以上のように、基板温度と
しては、分子線エピタキシャル法による結晶成長に適した温度、例えば摂氏600度に制御すればよい。
Subsequently, an n-type GaAs layer is grown at a substrate temperature of 600 degrees Celsius. The thickness is 1000 nm, for example, Si is used as the n-type impurity, and its concentration is 2 × 10 18 / cm 3 . As described above, the substrate temperature may be controlled to a temperature suitable for crystal growth by molecular beam epitaxy, for example, 600 degrees Celsius.

続いてi型GaAs層を成長する。厚さは例えば50nmとし、この層を成長する間に基板温度
を摂氏600度から例えば摂氏500度に低下させる。
Subsequently, an i-type GaAs layer is grown. The thickness is, for example, 50 nm, and the substrate temperature is reduced from 600 degrees Celsius to, for example, 500 degrees Celsius during the growth of this layer.

基板温度を摂氏500度に維持したまま、成長速度が例えば0.2 ML/s (原子層/秒)となる
ようにInAsを供給する。ある程度の量を供給することによりInAsに加わる圧縮歪が増し、InAsが3次元成長して量子ドットが形成される(自己形成法)。ここで、基板温度を低下させたのは、量子ドット構造を形成しやすくするためのである。すなわち、基板温度が高い場合には、基板表面において供給したInAs材料の移動距離が長くなるため、InAsが局所
的にまとまって3次元成長する現象が起こりにくくなる。基板温度を摂氏500度程度とすることにより、基板表面において供給したInAs材料の移動距離が長くなることを低減した上でInAsによる3次元成長を促すことができる。
While maintaining the substrate temperature at 500 degrees Celsius, InAs is supplied so that the growth rate becomes, for example, 0.2 ML / s (atomic layer / second). By supplying a certain amount, the compressive strain applied to InAs increases, and InAs grows three-dimensionally to form quantum dots (self-forming method). Here, the reason for lowering the substrate temperature is to facilitate the formation of the quantum dot structure. That is, when the substrate temperature is high, the movement distance of the InAs material supplied on the substrate surface becomes long, so that the phenomenon that InAs locally gathers and grows three-dimensionally does not easily occur. By setting the substrate temperature to about 500 degrees Celsius, it is possible to promote the three-dimensional growth by InAs while reducing the movement distance of the InAs material supplied on the substrate surface.

引き続き基板温度を摂氏500度に維持したまま、i型GaAs層を例えば厚さ50 nm成長する
。量子ドット層の積層数を全体で例えば10層とするため、この後InAs供給とi型GaAs層
成長とを例えば9回繰り返す。ここで、最後のi型GaAs層を成長する間に基板温度を摂氏500度から摂氏600度に上昇させる。ここでは、すでに、量子ドット積層構造が形成されて
いるので、i型GaAs層の結晶成長により適した温度とするためである。引き続きn型GaAs層を基板温度摂氏600度で成長する。厚さは例えば1000 nmとし、n型不純物としてSiを用い
その濃度は2×1018/cm3とする。
Subsequently, an i-type GaAs layer is grown to a thickness of 50 nm, for example, while maintaining the substrate temperature at 500 degrees Celsius. In order to set the number of stacked quantum dot layers to 10 for example, the supply of InAs and the growth of the i-type GaAs layer are repeated 9 times thereafter. Here, the substrate temperature is raised from 500 degrees Celsius to 600 degrees Celsius while the last i-type GaAs layer is grown. Here, since the quantum dot stacked structure is already formed, the temperature is more suitable for the crystal growth of the i-type GaAs layer. Subsequently, an n-type GaAs layer is grown at a substrate temperature of 600 degrees Celsius. The thickness is, for example, 1000 nm, Si is used as the n-type impurity, and the concentration is 2 × 10 18 / cm 3 .

フォトリソグラフィーおよびドライエッチングにより、中央に位置するn型GaAs電極層
までの掘削およびp型GaAs電極層までの掘削を行う。引き続き金属蒸着法により、2つのn型GaAs電極層にはAuGe/Ni/Au電極形成を、p型GaAs電極層にはAuZn電極形成を行う。なお
、ここで、AuGe/Ni/Auとは、金ゲルマニウム合金、ニッケル、および金をそれぞれ積層したものをいう。
Excavation to the n-type GaAs electrode layer located in the center and excavation to the p-type GaAs electrode layer are performed by photolithography and dry etching. Subsequently, AuGe / Ni / Au electrodes are formed on the two n-type GaAs electrode layers and AuZn electrodes are formed on the p-type GaAs electrode layers by metal vapor deposition. Here, AuGe / Ni / Au refers to a laminate of a gold germanium alloy, nickel, and gold.

図6に、電極層が形成された量子ドット型赤外線検知器構造を示す。n型GaAs電極層間
に電位差を加えてその間に流れる電流を計測することで赤外線入射時の電流変化を観測することができ、赤外線検知器として機能させることができる。
FIG. 6 shows a quantum dot infrared detector structure in which an electrode layer is formed. By applying a potential difference between the n-type GaAs electrode layers and measuring the current flowing between them, it is possible to observe the current change at the time of the incidence of infrared rays and to function as an infrared detector.

そして、中央に位置するn型GaAs電極層に対して正の電位差をp型GaAs電極層に加えることで、量子井戸構造においてバンド間緩和による励起光発光を起こすことができる。   Then, by applying a positive potential difference to the p-type GaAs electrode layer with respect to the n-type GaAs electrode layer located at the center, excitation light emission due to interband relaxation can be caused in the quantum well structure.

<実施形態の効果>
本実施形態の構造によれば、量子井戸構造は、その量子井戸構造の伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差と同程度とする。ここで、この2つのエネルギー差の差分値は、量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差の分布する拡がりの程度とする。
<Effect of embodiment>
According to the structure of the present embodiment, the quantum well structure has an energy difference between the conduction band quantum level of the quantum well structure and the valence band quantum level. Same energy difference between levels. Here, the difference value between the two energy differences is the extent of spread in which the energy difference between the conduction band quantum level and the valence band quantum level of the quantum dot is distributed.

具体的には、量子井戸構造内のエネルギー差は、量子ドット内のエネルギー差に対して±50meVのエネルギー範囲内とする。このようなエネルギー差とすることにより、量子井
戸構造に電流を流すことによって発生する光の波長は、量子ドット内の価電子帯量子準位にある電子を伝導帯量子準位に効果的に励起できる。
Specifically, the energy difference in the quantum well structure is within an energy range of ± 50 meV with respect to the energy difference in the quantum dots. By making such an energy difference, the wavelength of light generated by passing a current through the quantum well structure effectively excites electrons in the valence band quantum level in the quantum dot to the conduction band quantum level. it can.

したがって、従来のように、量子ドット積層構造にn型不純物を注入する方法によるこ
となく、量子ドット内の伝導帯量子準位に充分な電子を供給できる。その結果、暗電流を増加させることなく、入射赤外線量に対する発生光電流値を増加でき、結果として、検出感度を向上できる。
Therefore, sufficient electrons can be supplied to the conduction band quantum levels in the quantum dots without using a conventional method of injecting n-type impurities into the quantum dot stacked structure. As a result, the generated photocurrent value with respect to the amount of incident infrared rays can be increased without increasing the dark current, and as a result, the detection sensitivity can be improved.

従来構造における、量子ドット型赤外線検知器の構造図である。It is a structural diagram of a quantum dot infrared detector in a conventional structure. 従来構造における、量子ドット型赤外線検知器のバンドプロファイルである。It is a band profile of a quantum dot type infrared detector in a conventional structure. 量子ドット型赤外線検知器の構造図Structure diagram of quantum dot infrared detector 量子ドット型赤外線検知器のバンドプロファイルである。It is a band profile of a quantum dot type infrared detector. 本発明の一実施形態に係る量子ドットの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the quantum dot which concerns on one Embodiment of this invention. 実施形態1による電極層が形成された赤外線検知器構造を示す図である。It is a figure which shows the infrared detector structure in which the electrode layer by Embodiment 1 was formed.

Claims (3)

量子ドットからなる層を複数積層した量子ドット積層構造と、
p型電極層、n型電極層、および前記p型電極層とn型電極層との間に挟み込まれた量子井戸構造を有する半導体素子と、を備え、
前記半導体素子が前記量子ドット積層構造に接する位置に形成されていることを特徴とする赤外線検知器。
A quantum dot stacked structure in which a plurality of layers made of quantum dots are stacked;
a p-type electrode layer, an n-type electrode layer, and a semiconductor element having a quantum well structure sandwiched between the p-type electrode layer and the n-type electrode layer, and
An infrared detector, wherein the semiconductor element is formed at a position in contact with the quantum dot stacked structure.
請求項1記載の赤外線検知器において、その量子井戸構造の伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が量子ドットの伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差に対して±50meVのエネルギー範囲内に位置することを特徴とする赤外線検知
器。
2. The infrared detector according to claim 1, wherein an energy difference between a conduction band quantum level and a valence band quantum level of the quantum well structure is between the conduction band quantum level and the valence band quantum level of the quantum dot. An infrared detector characterized by being located within an energy range of ± 50 meV with respect to the energy difference of.
請求項1記載の赤外線検知器において、前記量子ドット積層構造は、量子ドットの材料がインジウム砒素(InAs)であり、前記量子ドットを挟み込み、複数層を構成する層材料がガリウム砒素(GaAs)であり、前記量子ドット積層構造が液体窒素温度と同等レベルの温度範囲にあるときに形成される伝導帯量子準位と価電子帯量子準位の間のエネルギー差が1.4eVである場合に、量子井戸構造が、範囲0.05から0.13に含まれるIn組成を持つ厚さ10nmのインジウムガリウム砒素(InGaAs)を井戸層とし、ガリウム砒素(GaAs)を障壁層
とする1次元量子井戸構造であることを特徴とする赤外線検知器。
2. The infrared detector according to claim 1, wherein in the quantum dot stacked structure, a material of quantum dots is indium arsenide (InAs), and a layer material sandwiching the quantum dots and forming a plurality of layers is gallium arsenide (GaAs). Yes, when the energy difference between the conduction band quantum level and the valence band quantum level formed when the quantum dot stacked structure is in a temperature range equivalent to the liquid nitrogen temperature is 1.4 eV, The well structure is a one-dimensional quantum well structure in which indium gallium arsenide (InGaAs) with a thickness of 10 nm having an In composition in the range of 0.05 to 0.13 is used as a well layer and gallium arsenide (GaAs) is used as a barrier layer. Infrared detector.
JP2007019484A 2007-01-30 2007-01-30 Infrared detector Pending JP2008187022A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007019484A JP2008187022A (en) 2007-01-30 2007-01-30 Infrared detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007019484A JP2008187022A (en) 2007-01-30 2007-01-30 Infrared detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008187022A true JP2008187022A (en) 2008-08-14

Family

ID=39729862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007019484A Pending JP2008187022A (en) 2007-01-30 2007-01-30 Infrared detector

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008187022A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011259150A (en) * 2010-06-08 2011-12-22 Fujitsu Ltd Image sensor and imaging apparatus
CN103247637A (en) * 2013-04-27 2013-08-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Infrared detector and manufacturing method thereof
CN104103697A (en) * 2013-04-08 2014-10-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Infrared detector and manufacturing method thereof
KR20180082281A (en) * 2017-01-10 2018-07-18 삼성전자주식회사 Optical sensor and image sensor including graphene quantum dot
CN113675291A (en) * 2021-08-20 2021-11-19 电子科技大学 Double-layer silicon-based optoelectronic synapse device based on Schottky contact and preparation method

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02241064A (en) * 1989-03-15 1990-09-25 Fujitsu Ltd Semiconductor photodetector
JPH09510831A (en) * 1994-03-25 1997-10-28 フラウンホッファー ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ. Quantum layer structure
JPH10256588A (en) * 1997-03-06 1998-09-25 Fujitsu Ltd Infrared sensor
JP2001044453A (en) * 1999-07-30 2001-02-16 Fujitsu Ltd Photodetector

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02241064A (en) * 1989-03-15 1990-09-25 Fujitsu Ltd Semiconductor photodetector
JPH09510831A (en) * 1994-03-25 1997-10-28 フラウンホッファー ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ. Quantum layer structure
JPH10256588A (en) * 1997-03-06 1998-09-25 Fujitsu Ltd Infrared sensor
JP2001044453A (en) * 1999-07-30 2001-02-16 Fujitsu Ltd Photodetector

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011259150A (en) * 2010-06-08 2011-12-22 Fujitsu Ltd Image sensor and imaging apparatus
CN104103697A (en) * 2013-04-08 2014-10-15 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Infrared detector and manufacturing method thereof
CN103247637A (en) * 2013-04-27 2013-08-14 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Infrared detector and manufacturing method thereof
KR20180082281A (en) * 2017-01-10 2018-07-18 삼성전자주식회사 Optical sensor and image sensor including graphene quantum dot
KR102356684B1 (en) 2017-01-10 2022-01-28 삼성전자주식회사 Optical sensor and image sensor including graphene quantum dot
CN113675291A (en) * 2021-08-20 2021-11-19 电子科技大学 Double-layer silicon-based optoelectronic synapse device based on Schottky contact and preparation method
CN113675291B (en) * 2021-08-20 2023-03-28 电子科技大学 Double-layer silicon-based photoelectric synapse device based on Schottky contact and preparation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7863625B2 (en) Nanowire-based light-emitting diodes and light-detection devices with nanocrystalline outer surface
US7473922B2 (en) Infrared detector
CN105283964B (en) High speed photodetector
US8076740B2 (en) Photo detector with a quantum dot layer
CN109686809B (en) A kind of III nitride semiconductor visible light avalanche photodetector and preparation method
JP6137195B2 (en) Infrared detector
US20100032651A1 (en) Quantum dot infrared photodetector
JP2009026887A (en) Solar cell
JP4836203B2 (en) Quantum dot infrared detector
JP2008187022A (en) Infrared detector
US8053755B2 (en) Semiconductor heterostructure
US8143648B1 (en) Unipolar tunneling photodetector
US10079324B2 (en) Semiconductor light-receiving device
JP4927911B2 (en) Quantum dot photodetector
JP6214037B2 (en) Photodetector
KR20160053179A (en) APD using modulation doping and composition absorber
JP2024126300A (en) Semiconductor photodetector
JP4694417B2 (en) Quantum dot optical semiconductor device
JP4829809B2 (en) Quantum well infrared detector
CN119562655B (en) Indium arsenide quantum dot single-photon avalanche diode and manufacturing method thereof
JP2008091427A (en) Optical semiconductor device
JP7291942B2 (en) Quantum infrared sensor
CN101335309B (en) Method for Improving the Dynamic Range of Quantum Dot Resonant Tunneling Diode Photodetectors
JP2001085795A (en) Semiconductor device and semiconductor light-emitting element
CN113644150A (en) A high gain photodetector

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090611

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100928

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100928

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20110208